49565446 Cours Analogique Universite

ETML

ELECTRONIQUE ANALOGIQUECours destin aux Automaticiens

Y.DarbellayLa plus grande partie de ce cours est issue du cours Electronique Automobile de lAMAD. (Association des Mcaniciens en Automobile Diplms) Auteur: M. Gilbert Peignaud, ingnieur ETS en lectronique LETML remercie vivement lAMAD pour son aimable autorisation de reproduction. Bibliographie: Principes d'lectronique Albert Paul Malvino

00 TITREANA_04/ 4 JUILLET 2006

ETML1. INTRODUCTION1.1 Reprsentation des grandeurs

Introduction :

1

Nombreux sont les systmes qui utilisent des grandeurs en entre, les traitent et dlivrent en sortie des commandes ou des informations pour l'utilisateur. Les grandeurs peuvent tre reprsentes de deux faons :

Reprsentation analogique Reprsentation numrique

1.1.1 La reprsentation analogique La plupart des capteurs transforment une grandeur physique (temprature, pression...) en grandeur lectrique. De mme, le microphone transforme la pression acoustique en grandeur lectrique proportionnelle. Caractristique des grandeurs analogiques : Elles peuvent prendre toutes les valeurs en variant graduellement entre deux limites, par exemple une automobile peut avoir une vitesse variant entre 0 et 220 km/h. 1.1.2 La reprsentation numrique La grandeur mise sous forme numrique n'est plus proportionnelle la grandeur d'entre. Elle s'exprime par symboles ou codes (chiffres) par exemple, le tachymtre (se prononce "takimetre") d'une automobile s'il est numrique, indique une valeur par pas de 1 km/h : la progression est discontinue s'il est analogique ( aiguille) la progression est continue. La reprsentation numrique est donc DISCONTINUE.

1.2 Les systmes analogiquesLes systmes analogiques regroupent les montages utiliss pour le contrle ou pour le rglage. Ils utilisent des composants fonctionnant de manire linaire, sans DISCONTINUITE. Ce sont ces systmes que nous allons tudier dans le prsent cours, les systmes numriques sont traits dans le cours ELECTRONIQUE NUMERIQUE. Cette sparation en deux systmes est faite pour les besoins du cours, dans la pratique, on trouve des circuits composs de systmes numriques et analogiques.

1.3 Outils utilissL'tude de ce cours ncessite la matrise des lois suivantes:

Loi d'Ohm Lois de Kirchhoff Thorme de superposition Thorme de Thvenin Thormes de Norton

01 INTROANA_04/ 4 JUILLET 2006

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ETML2. COMPOSANTS DE BASE2.1 Introduction

Composants de base :

2

Les rsistances et les potentiomtres sont des lments passifs, c'est--dire qu'ils n'apportent aucune nergie (amplification) dans le montage o ils sont utiliss. Ils ne peuvent que diminuer l'amplitude d'un signal. Leur action est proportionnelle leur valeur, ils ont un comportement linaire.

2.2

Les rsistances

2.2.1 Les rsistances de faible puissance Ce sont les plus couramment utilises en lectronique. Elles sont marques par bagues de couleur. 2.2.2 Les rsistances couche de carbone On dpose une couche mince de carbone et de rsine sur un btonnet isolant de cramique ou de verre. On trace ensuite une hlice au faisceau laser qui enlve le carbone sur une trs faible largeur. La piste de carbone rsistante est alors semblable au fil d'une rsistance bobine. On place ensuite les capsules de sertissage avec les fils de raccordement aux deux extrmits puis on fait l'enrobage de protection et le marquage de couleur. 2.2.3 Les rsistances film mtallique Procd de fabrication identique aux rsistances couche de carbone l'exception du dpt qui est base d'oxydes mtalliques ou de mtaux prcieux ou d'alliage Nickel-Chrome. 2.2.4 Les rsistances agglomres au carbone Moulage d'un mlange de silice, Baklite et carbone comprims dans un tube de Baklite. Ces rsistances sont de moins en moins utilises cause de leur stabilit mdiocre, tension de bruit importante. On les trouve encore pour des valeurs trs leves de 1 M 100 M . 2.2.5 Les rsistances SMD ou CMS (composants monts en surface) Cette nouvelle technologie utilise des composants trs petits permettant un gain de place important et un encombrement rduit des circuits. Il n'y a plus de fils pour le soudage mais les extrmits des composants permettent le soudage direct sur le cuivre du circuit imprim.

02 RESPOTC_04/ 4 JUILLET 2006

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2

2.2.5.1 Montage des CMS sur une face du circuit imprim et soudure par refusion

2.2.6 La puissance des rsistances Sur les petites rsistances, aucun marquage ne donne une indication de puissance, seules les dimensions permettent de savoir quelle puissance maximum peut dissiper une rsistance. Exemples :

1/4 W

1/2 W

2W

Il existe d'autres valeurs (1/8 W, 1 W) moins courantes pour lesquelles on se rfre aux indications du fournisseur. ATTENTION : Ces puissances limites d'utilisation ne sont valables que jusqu' 25C (temprature ambiante). Au-del de cette temprature, il faut se baser sur les courbes de rduction de puissance des fabricants. La plupart des rsistances sont utilisables jusqu' 120C.

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02 RESPOTC_04 / 4 JUILLET 2006

ETMLExemple : Rsistance 2 WP [W ]


2

2 1 ,7 5 1 ,5 1 ,2 5 1 0 ,7 5

0 ,5 0 ,2 5 0 0 20 25 40 60 80 100 120 [C ]

Supposons que la temprature ambiante atteigne 80C.

Par lecture graphique : la rsistance ne peut plus dissiper 2 W, mais seulement 0,85 W Par calcul : on a 2 triangles rectangles semblables : le 1er a pour cots de l'angle droit

En vertical de 0 2 W En horizontal de 25 120C = 95C

Le 2me a pour cots de l'angle droit

En vertical, la valeur cherche x En horizontal de 80 120C = 40C

Il y a proportionnalit de telle faon que

2W 95C 2 40 = x= = 0,84[W] X 40C 95 X = 0,84 W


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2

2.2.7 Les rsistances de puissance On trouve ces rsistances dans les valeurs de puissance allant de 4 W 2500 W. Elles supportent des tempratures de service allant jusqu' 350 C. Elles sont soumises aux lois de rduction de puissance entre 25 C et par exemple 350 C. Elles sont ralises en fil bobin (gnralement alliage Fer-Nickel).Borne Couche tame dmail en alliage vitrifie Bobinage pas uniforme Borne soude b

Support rsiliant

Robuste Fil rsistant mandrin soud la borne de cramique

Rsistances sous couche dmail vitrifie

Cosse Soudure lectrique

Vitrification

Rsistance bobines Type RH-25 1% 25 [W] Type RH-50 1% 50 [W]

Attention : Ces rsistances atteignent des tempratures dpassant le point de fusion de la soudure l'tain (environ 180 C). Dans les cas o la rsistance est fortement sollicite, les connexions se feront sans soudure l'tain (visses, par fiche AMP, etc.). Les rsistances vitrifies avec intrieur creux auront une meilleure vacuation thermique si elles sont montes verticalement avec tube intrieur libre pour le passage de l'air (effet de chemine).

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2

2.2.8 Les rseaux de rsistance On peut grouper plusieurs rsistances de faible puissance (0,2 0,3 W par rsistance) dans des botiers semblables ceux des circuits intgrs ou circuits hybrides.

1

2

3

4

5

2.3

Les potentiomtres

2.3.1 Les potentiomtres variables (rglages par l'utilisateur) La plupart sont variation linaire, c'est--dire que la variation de rsistance est proportionnelle l'angle de rotation.

L'indication suivante est porte sur le potentiomtre, par exemple pour 10 k 10 k LIN ou 10 KA. La rotation se fait sur 270 (potentiomtre bute min-max), sur 360 (potentiomtre sans bute) ou sur plusieurs tours (systme en hlice 10 tours ou 15 tours). D'autres modles sont variation logarithmique :% de Rn 100% 1 = courbe lin 2 = courbe log

1 2 % de rotation

L'oreille humaine peroit les bruits au logarithme de leur intensit. Par exemple, un bruit 100 fois plus fort est peru 2 fois plus fort, 1000 fois plus fort peru 3 fois plus fort. D'o l'utilit des potentiomtres progression logarithmique pour le rglage du volume sonore des amplificateurs. Ils sont marqus pour 10 k : 10 k LOG ou 10 kB

100%

2.3.2 Les potentiomtres ajustables On trouve les mmes modles que prcdemment, mais leur rglage ncessite l'usage d'un outil. Dans un appareil, ces potentiomtres, aussi appels "trimmers", sont prvus pour des ajustages ou rglages par des professionnels.


Page 5

ETML2.3.3 Quelques modles de potentiomtres


2

2.3.4

Quelques modles de trimmers

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ETML2.4 Condensateurs


2

Le condensateur est certainement lun des plus importants composants de llectrotechnique, en particulier dans la technique des courants alternatifs. Citons quelques applications de ce composant:

Filtrage dans les circuits courant continu. Protection contre les surtensions sur les composants travaillant en commutation. Couplage B.F. Circuits oscillants. Bascule monostable. Intgrateur, drivateur. ...

2.4.1 Dfinition Le condensateur est un composant qui a la proprit daccumuler une charge lectrique. 2.4.2 Principe Un condensateur se compose de deux plaques mtalliques isoles entre elles. Lisolant peut tre de lair ou tout autre matriau bon isolant. Le matriau isolant sappelle dilectrique.

a

C=

b

S r 0 e

e

avec C: S = a b: e: 0 : r: Capacit en farads. Surface des plaques. Epaisseur de lisolant. Permittivit absolue = 0,885 10-11 Permittivit relative. [F] [m2] [m] A s Vm


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ETML2.4.3 Symboles


2

+

2.4.4

Charge du condensateur

Q = CUavec Q: C: U: Quantit dlectricit en coulombs [C] Capacit Tension [F] [V] ou [As]

Si la charge du condensateur est faite par une source de courant alors

Q = CU = It

!2.4.5

Cette relation nest valable que si le courant est constant.Energie emmagasine dans un condensateur1 C U2 2

W=

avec W: C: U: Energie emmagasine Capacit Tension [J] [F] [V]

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ETML2.4.6 Circuit RCR a C


2

Ue b

Uc

Dans le circuit RC srie ci-contre, la tension aux bornes du condensateur varie selon les deux lois suivantes.

2.4.6.1 Charge de condensateur

Le temps de charge dun condensateur dpend de la constante de temps du circuit.

= R Cavec : R: C: Constante de temps Rsistance Capacit [s] [] [F]

Aprs un temps de 1 la tension aux bornes de C est de 63% de la tension dentre E et aprs 5 le condensateur peut tre considr comme charg. La courbe de charge du condensateur est une fonction exponentielle.Ue E

t Uc E 63%E t=0

t=0

t


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2

2.4.6.2 Dcharge de condensateur Si lon applique une tension nulle entre les points a et b le condensateur est compltement dcharg aprs 5 .Ue E

t Uc U0 t=0

? t

t=0

2.4.7 Mise en parallle de condensateurs La capacit quivalente de condensateurs monts en parallle vaut la somme de toutes les capacits.

C1

C2

C3

Cqu

Cqu = C1 + C2 + C3

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2

2.4.8 Mise en srie de condensateurs Linverse de la capacit quivalente de condensateurs monts en srie vaut la somme de tous les inverses des capacits.

C1

C2

Cqu

C3

1 1 1 1 = + + Cqu C1 C 2 C3

2.4.9 Choix du condensateur Le choix dun condensateur dpend des critres suivants:

Capacit nominale Tension de service Type du dilectrique Encombrement Prix

Le choix du dilectrique est faire selon lapplication le tableau que vous allez remplir ci-dessous rsume les principaux types.


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ETML2.4.10 Les diffrents dilectriques

Composants de base:

2

Dilectrique

Cmin

Cmax

Tolrances

Umax

Principales Applications

Cramique Multicouche

Cramique Disque et plat

Film mtallis Polyester MKT

Film mtallis Polycarbonate MKC

Page 12


ETMLFilm plastique Polyester KT

Composants de base:

2

Film mtallis Polypropylne KP/MKP

Film plastique Polystyrne KS


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ETMLTantale

Composants de base:

2

Electrolytique Liquide

Electrolytique Solide

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ETML2.4.11 ExerciceR

Composants de base:Reprsenter lallure de la courbe UC = f(t) si au temps t = 0 on ferme le contact.

2

E

C

UC

R = 1 k C = 1000 F E = 15 V

2.4.12 Exercice

Reprsenter lallure de la courbe UC = f(t) si au temps t = 0 on ouvre le contact.I0 C UC

C = 1000 F I0 = 1 mA

2.4.13 ExerciceVCC R RESET

C

Le schma ci-contre est utilis pour imposer un niveau logique bas ( < 0,8 V ) au moins 10 ms sur le signal RESET . Dimensionner le condensateur C si R = 100 k et VCC = 5 V. Quel type de condensateur peut-on utiliser pour cette application?

2.4.14 Exercice (Examen dadmission EINEV 1994)C R P1 E1 R

I1

P2 R

a) Calculer la valeur de UC lorsque le commutateur se trouve depuis trs longtemps dans la position P1. b) Que vaut le courant I1 immdiatement aprs la commutation en position P2? E1 = 5 V E2 = 12 V R = 100 C = 10 F

E2


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Physique des semi-conducteurs:

3

3. PHYSIQUE DES SEMI-CONDUCTEURS3.1 Le matriau de baseLe matriau principalement employ actuellement dans la technologie des semi-conducteurs est le SILICIUM. Il est issu du sable que l'on purifie. Le silicium pur (on admet aprs purification 1 atome tranger pour 109 atomes de silicium) a une couleur anthracite et est cassant comme le verre. Sa rsistivit est importante : 2,3 10 7 m En comparaison, le cuivre a une rsistivit de 1,7 10 silicium pur comme un isolant.-8

m. On peut donc considrer le

Sa couche priphrique comprend 4 lectrons ce qui est particulier du groupe des semiconducteurs.

+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

Le silicium pur (symbole chimique : Si) aussi appel conductibilit intrinsque ne peut tre utilis directement. Pour qu'il devienne conducteur, il faut diminuer sa rsistivit. Il faut donc faire apparatre des lectrons libres ou des lacunes pour avoir un terrain propice au passage du courant lectrique.

03 PHDESECO_04/ 4 JUILLET 2006

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ETML3.2 Le dopage


3

On va mlanger des corps ayant 3 ou 5 lectrons en couche priphrique avec le silicium. Ce mlange, aprs fusion, donne un alliage avec de nouvelles caractristiques. 3.2.1 Le dopage P On mlange au silicium des atomes avec 3 lectrons en couche priphrique (Indium, Gallium, Aluminium). A chaque endroit o s'est gliss un atome trivalent dans l'alliage, il manque une liaison cristalline. Cette lacune ou ce trou reprsente une charge lectrique positive. Un lectron libre (ayant laiss un trou en quittant son orbite) peut combler ce trou. Le phnomne se rptant, on assiste un mouvement de trous, donc un courant lectrique.

+4

+4

+4 trou libre

+4

+4

+4

+4 atome trivalent

+3

+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

Le cristal de silicium dop de cette manire a nettement baiss sa rsistivit (de l'ordre de 10-3 m). Cette baisse est due l'adjonction de matire crant des trous. Ces trous reprsentent des charges POSITIVES. On a obtenu du silicium dop P ou Si P. La rsistivit est dpendante de la matire d'apport.

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03 PHDESECO_04 / 4 JUILLET 2006

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3

3.2.2 Le dopage N On mlange au silicium des atomes avec 5 lectrons en couche priphrique (phosphore, arsenic, antimoine). L'alliage rsultant laisse apparatre 1 lectron libre pour chaque atome pentavalent dans la structure cristalline. Cet lectron est libre, comme dans le cas prcdent, il abaisse la rsistivit du cristal et participe la conduction lectrique.

+4

+4

+4 lectron libre

+4

+4

+4

+4 atome pentavalent

+5

+4

+4

+4

+4

+4

+4

+4

Le cristal ainsi obtenu, s'il est soumis une tension, va laisser circuler le courant en fonction de sa rsistivit.

= lectrons = trous

Les lectrons libres sont attirs par le ple + Les trous sont attirs par le ple -


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ETML3.3 La jonction


3

3.3.1 La jonction lmentaire Si l'on tablit un contact parfait entre un cristal Si P et un cristal Si N, il y a immdiatement mariage entre les lectrons libres de la zone N et les trous de la zone P et ce sur une largeur de 1 m la zone de contact. Les charges lectriques mobiles s'annulent. Il reste les charges lectriques des noyaux d'atomes dsquilibrs par cette opration, les atomes sont immobiles. Dans la zone de 1 m, on voit apparatre un potentiel positif du ct Si N (dominante des protons) et un potentiel ngatif du ct P (dominante des trous combls).Rgion P Rgion N Rgion P distance +U

Rgion NTrou Electron libre Ion ngatif Ion positif

jonction

Cette zone la jonction s'appelle BARRIERE DE POTENTIEL. Sur une distance de 1 m, il n'y a plus de porteurs de charges zone isole, plus de conduction possible. La barrire de potentiel repousse les lectrons de la zone N et les trous de la zone P. C'est le statu quo. 3.3.2 La jonction polarise en inverseZone P Zone N

Le ple - de la source attire les trous (+) et le ple + attire les lectrons. La barrire de potentiel s'largit. Toute conduction devient impossible, le systme est bloqu.

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3

3.3.2.1 Limite physique du blocage L'paisseur du dispositif restant dans la pratique de quelques diximes de mm, il arrive un moment o la tension positive devient suffisamment grande pour arracher des lectrons dans la zone neutre. Ces lectrons sont fortement acclrs, et leur grande vitesse libre d'autres lectrons par chocs. Les lectrons, de plus en plus nombreux, rendent toute la masse conductrice. Le montage se trouve tout coup en court-circuit. Ce phnomne est appel "effet d'avalanche ou, vu ses effets dsastreux sur le silicium, "claquage". Il est comparable la rupture d'une bute de clapet hydraulique par la pression.

bute

Pression

Pression Rupture de vanne

Vanne bloque

Remarque : tout comme un clapet en position ferme n'assure pas une tanchit parfaite (passage de quelques gouttes de fluide), une jonction bloque n'a pas une rsistance infinie. Elle laisse passer un trs faible courant de quelques nA (nanoampre = 10 -9 A) d aux lectrons ou trous librs par agitation thermique temprature ambiante. Ce courant est appel "COURANT DE FUITE EN INVERSE". 3.3.3 La jonction polarise en direct

Zone P (+++) I

Zone N (---)

Le ple + de la source attire les lectrons et apporte des trous dans le circuit. Le ple - de la source attire les trous et apporte des lectrons dans le circuit. Au fur et mesure que la tension s'lve, la barrire de potentiel se rtrcit. Elle finit par disparatre et le courant peut circuler.


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ETMLOn constate dans le silicium :


3

Dbut de la conduction vers 0,5 V (fin barrire) Nette augmentation de la conduction vers 0,6 V Conduction admise normale 0,7 V

Dans le germanium, aujourd'hui peu utilis, les comportements sont semblables au Si mais le seuil est 0,3 V au lieu de 0,7 V. 3.3.3.1 Analogie hydraulique

Pression bute

Ressort

Pression

La pression est trop faible pour vaincre la force du ressort Dans la jonction U < 0,5 V pas de courant

La pression est suprieure la force du ressort. Il y a dbit de liquide Dans la jonction U = 0,7 V il y a un courant I

3.4

Un semi-conducteur nouveau ?

On s'est aperu qu'en prenant du gallium (mtal liquide 300 C - 3 lectrons en couche priphrique - symbole chimique : Ga) et en le mlangeant l'arsenic (5 lectrons en couche priphrique - symbole chimique : As) on obtenait 1240 C, un compos intermtallique : l'arsniure de gallium : Ga As, se comportant comme un semi-conducteur (avec 4 lectrons en couche priphrique). Il est donc utilis pour fabriquer des transistors, diodes, circuits intgrs. Il convient pour des frquences trs leves (domaine des GHz) (tlcommunications par satellite) il peut, s'il est convenablement dop, atteindre les longueurs d'onde de la lumire (diodes lumineuses ou LEDs). Son seuil de tension de la barrire de potentiel est lgrement suprieur 2 V contre 0,7 V pour le silicium. Il ne s'agit donc pas d'un semi-conducteur mais d'un compos intermtallique se comportant comme un semi-conducteur. Son dveloppement commercial est dj trs important et on le trouve dans de nombreuses applications.

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ETML4. LA DIODE4.1 Diode idale

La diode :

4

Une jonction qui bloquerait totalement en inverse sans courant de fuite et sans claquage et qui conduirait un courant infini en direct sans chute de tension serait une diode idale.

I

D

U

R

U

D

I

R

Cette diode est thorique, elle n'existe pas. Symbole :

P NSens passant

P NANODE CATHODE Sens passant Sens bloqu

4.2 Diode relleLa diode relle se distingue de la diode idale par

Un seuil de tension dans le sens direct (0,7 V pour Si). Une chute de tension en direct qui dpend du courant (rsistance du silicium dop). Un seuil de tension qui varie en fonction de la temprature : il diminue de 2 mV chaque fois que la temprature augmente de 1 C. C'est un coefficient de temprature ngatif qui posera quelques problmes dans le cas du transistor. Le blocage en inverse n'est pas parfait. Les courants de fuite de quelques nA 20 C double tous les 8 C lorsque la temprature augmente. La tension inverse n'est pas infinie, le claquage apparat en fonction de la construction de la diode.

04 DIODES_04/ 4 JUILLET 2006

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ETMLSchma quivalent de la diode relle :rd

La diode :

4

Diode idale

Source de + 0,7V = seuil

Rsistance dynamique augmentant la chute de tension quand I augmente

4.3 Caractristique directe de la diodeSoit le montage ci-dessous :

AE = 12V

V

V

Si l'on reporte sur graphique les rsultats de la mesure, on obtient la fonction IF = f(UF) (F pour forward (direct)).IF[A]

11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 = 70C IF Drive thermique ( augmente) IFMAX

= 20C

UF

0,94 0,9 1

1.1

1.2

UF [V]

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04 DIODES_04 / 4 JUILLET 2006

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La diode :

4

On trouve une zone jusqu' 0,5 V o le courant est nul, on n'a pas vaincu la barrire de potentiel. A partir de 0,5 V, le courant s'tablit et on est en prsence d'un coude. A partir de 0,65 V et jusqu' 1 V, la droite est comparable celle d'une rsistance. IFMax est la limite max. de courant impose par le fournisseur de la diode mesure. Au del, il ne garantit plus que la diode puisse dissiper la puissance sans dpasser la limite de temprature de 150 C. Cette puissance est gale ID UD = 10 1 = 10 W (pour 70 C).

Dtermination de la rsistance dynamique pour I = 6 A (voir graphique) : On trace une tangente la caractristique par rapport au point IF = 6 A. On forme un triangle rectangle donnant l'cart UF pour l'cart correspondant IF et la rsistance dynamique :rd = U F 0,16 = = 40 10 3 I F 4

rd = 40 m On retrouve la chute de tension IF = 6 A par l'quation de la diode. UF = Useuil + rd ID = 0,7 + (40 10 -3 6) = 0,94 V UF = 0,94 V Ce qui correspond la lecture graphique.


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ETML

La diode :

4

Nous constatons que la valeur standard de 0,7 V pour UF prise dans la plupart des calculs est suffisante, mais il faut savoir que la chute de tension aux bornes d'une diode d'alternateur automobile qui dbite par exemple 30 A est suprieure 0,7 V.

Caractristique d'une diode d'alternateur (exemple)IF [A] 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 UF [V]

4.4 La drive thermiqueLorsque la temprature d'une diode au silicium augmente, on constate que son seuil de tension diminue. Le seuil de tension diminue de 2 mV chaque fois que la temprature augmente de 1 C. Si une diode a un seuil de tension de 0,7 V 20 C, ce seuil pour 120 C sera = 120 - 20 = 100 C U = 2 10 -3 V = 2 10 -3 100 = 0,2 V Seuil : 0,7 V - 0,2 V = 0,5 V De mme, pour une temprature infrieure 20 C, le seuil de tension va augmenter.

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ETML4.5 Caractristique inverse de la diodeVR VRM 100V 20V 15V 10V 5V 1A 2A

La diode :

4

IREn inverse, la diode se prsente comme une valve ferme. Il existe un lger courant de fuite en inverse de l'ordre des dizaines de nanoampres quelques microampres. Attention : ce courant de fuite double tous les 8 C d'augmentation de temprature. Le blocage est assur jusqu' un certain point dpendant de la construction de la diode. Ce point va de quelques volts plusieurs milliers de volts. Lorsqu'on atteint cette tension de blocage ou tension d'avalanche, la diode se met conduire brutalement et si aucune prcaution n'est prise pour limiter le courant, elle sera dtruite, d'o l'appellation courante de tension de claquage. Certaines diodes sont construites pour travailler dans cette zone de claquage (diodes Zener, diodes de protection).

4.6 La diode ZenerC'est une diode destine la rgulation de tension, c'est--dire qu'utilise correctement, elle assure une tension constante et stable. 4.6.1 Symbole graphique

ANODE

CATHODE


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ETML

La diode :

4

4.6.2 Fonctionnement En sens direct : cette diode fonctionne comme une diode conventionnelle et ne prsente pas d'intrt particulier.

En sens inverse : c'est le domaine d'utilisation de la diode Zener.

La tension d'avalanche ou tension Zener* est bien dfinie, elle est prcise et se situe, selon le modle de diode, entre 2,4 et 200 V. Le courant que peut supporter la diode Zener en inverse varie de quelques mA quelques ampres. Toujours se rfrer aux indications du fabricant. 4.6.3 Comparaison hydrauliqueI

UZ

Il y a dbit d'eau seulement si le niveau atteint et dpasse lgrement la hauteur du barrage. De mme, la diode Zener conduira seulement partir du moment o la tension qui lui est applique est suprieure la tension Zener. Ds que la diode conduit, elle offre trs peu de rsistance au passage du courant. Attention respecter les limitations de courant en ajoutant une rsistance en srie. Sans cela, la diode Zener peut tre dtruite. Remarque : On parle de tension Zener entre 2,4 et 6 V, le passage en conduction inverse est progressif. On parle de tension d'avalanche partir de 6 V, le passage en conduction inverse est brutal. 4.6.4 Courbe caractristique de la diode Zener

UZEffet d'avalanche

6V Effet Zener

Zone directe

Domaine utile

I

Z

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ETML4.6.5 Exemples d'applicationUe

La diode :

4

Tension instable Max 18V Min 6V

R Ue

Limitation du courant dans la diode Zener

18V 12V 6V 0V t Us 18V 12V 6V 0V t Ue 60V

Zener 9V

Us

U stable 9V

R Uet Us

Zener 50V

Us50V

t

R Ue 12 V DZ US 3V

On veut crer une tension de rfrence de 3 V partir d'une source de 12 V. On choisit une diode Zener de 3 V pour laquelle le fabricant recommande un courant nominal de 15 mA. Quelle devra tre la valeur de R ?

Tension aux bornes de R : UR = Ue - Us = 12 - 3 = 9 V Courant dans R = 15 mA :R= UR 9 = = 600 I 15 10 3


Page 7

ETML4.7 Les diodes de protection

La diode :

4

Ces diodes sont principalement destines protger les semi-conducteurs contre les surtensions dangereuses. Une construction particulire leur permet de conduire un courant important en inverse (jusqu' 1/3 du courant direct en permanence). Comme les diodes Zener, on les branche en inverse.

Module inductif crant des surtensions Diode de protection conduisant partir de 80V et protgeant le transistor

Transistor

La mise en conduction des diodes de protection est rapide, elle assure ainsi une protection immdiate. Il est noter que les diodes destines au redressement sont parmi les plus lentes se mettre conduire (construites pour le redressement de 50 Hz et jusque vers 500 Hz).

Diode de roue libre

Si la mise en conduction de la diode est trop lente au moment de la surtension, une tension dangereuse a le temps d'apparatre sur le transistor pouvant entraner des dommages.

4.8 Les diodes Schottky4.8.1 Symbole

Page 8


ETML4.8.2 PrincipeAnode Mtal Silicium N Cathode

La diode :

4

Dans ce cas, il n'y a plus de jonction silicium N - silicium P. On a une plaquette de silicium N sur laquelle on dpose un mtal :

Chrome (Cr)

ou

Platine-Nickel (Pt-Ni)

On obtient les proprits suivantes :

Faible seuil de tension en direct de 0,2 0,3 V. Cette diode remplace les diodes au germanium.

Temps de mise en conduction pratiquement nul, c'est la plus rapide de toutes les diodes.

Elle convient pour la commutation rapide, pour les frquences leves.

4.9 La VDRLes varistances ou VDR (V............... D................. R...............) sont des rsistances dont la valeur est fonction de la tension. Elles sont constitues de poudre de carbure de silicium, fritte des tempratures leves en faisant intervenir des liants. La rsistance de contact entre les particules de carbure de silicium est largement dpendante de la tension. Le fonctionnement d'une varistance s'explique par le nombre lev de jonctions PN dont elle est compose :

4.9.1 Caractristique d'une VDRI

U


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ETML4.9.2 Symbole de la VDRR1U

La diode :

4

R1U

4.9.3 Botier dune VDR

4.9.4 Application de la VDR Les VDR sont surtout utilises dans les circuits pare-tincelles et dans les circuits stabilisateurs de tension. Lorsque utilise dans les circuits en pare-tincelles, la VDR peut tre monte en .......................... la fois sur la charge inductive et sur le contact de commutation. Dans les deux cas, la VDR joue le mme rle que la diode de roue libre, elle empche que toute la tension d'induction arrive la hauteur du contact.

4.10 Rsistances NTCLes rsistances NTC ont une valeur de rsistance qui diminue lorsque la temprature augmente, d'o la dsignation qui se traduit par C................................. de T..................................... N......................................... La conductivit d'une substance dpend du nombre de porteurs de charges libres et de leur mobilit, celle-ci diminuant lorsque la temprature augmente, cause de la plus grande agitation des atomes. La rduction de la valeur de rsistance dpend de l'accroissement du nombre de porteurs de charges libres. Dans un semi-conducteur, il y a augmentation d'lectrons libres et de trous lorsque la temprature augmente. C'est pourquoi les rsistances NTC sont faites de matriaux semi-conducteurs. Les semi-conducteurs ne comprennent pas que des lments comme le germanium et le silicium, ils comprennent galement des composs chimiques ayant des proprits semi-conductrices. Les rsistances sont fabriques aussi partir d'oxyde de fer, de nickel et de cobalt, auxquels sont adjoints d'autres oxydes pour augmenter la stabilit des composants. Ces oxydes sont fritts, c'est--dire presss avec un liant sous haute pression des tempratures leves.4.10.1 Caractristique de la rsistance d'une NTCR

Page 10


ETML4.10.2 Symbole de la NTCR1+t

La diode :

4

R1

4.10.3 Botier dune NTC

4.10.4 Applications de la NTC Il existe deux possibilits de varier la rsistance des composants NTC, soit en agissant sur la temprature ambiante soit en faisant varier la charge lectrique du composant. Dans le premier cas, le courant doit tre infime si l'on veut viter toute hausse de temprature dans le composant due la puissance lectrique dissipe. C'est selon cette mthode que l'on utilise les rsistances NTC pour mesurer les tempratures ou les rgler. On exploite la deuxime possibilit pour allonger le temps de commutation dans les relais.

La caractristique I = f (U) ci-dessous, nous montre que pour une NTC ayant une rsistance 20C de 20 k, aucun effet d'auto-chauffement ne se produit jusqu' environ 14 V (10 mW). La NTC peut donc tre utilise dans cette porte pour raliser des mesures de tempratures. A des tensions plus leves, la dissipation d'nergie est plus grande, la temprature de la NTC devient beaucoup plus leve et sa valeur de rsistance diminue.I [mA] 1W 400R 160C 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 U [V] 10mW 20k 20C 580mW 935R 130C

180mW 7k2 50C

4.11 Rsistances PTCLes rsistances PTC ont une valeur de rsistance qui augmente lorsque la temprature augmente, d'o la dsignation qui se traduit par C................................. de T..................................... P.......................................... Les rsistances PTC sont composes de titanate de baryum fritt, mlang d'oxydes mtalliques ou autres additifs. Ce n'est que dans une plage de temprature relativement rduite, autour de la temprature de Curie, que la valeur de rsistance augmente lorsque la temprature augmente. Dans cette rgion de la courbe, une trs lgre hausse de la temprature entrane un accroissement considrable de la rsistance. Le coefficient de temprature, dans cet cart, varie jusqu' + 0.6/K, c'est dire que pour un accroissement de 1% de la temprature, la rsistance augmente de 60%. La rsistance 04 DIODES_04/ 4 JUILLET 2006

Page 11

ETML

La diode :

4

froid des rsistances PTC est comprise entre 20 et 100, l'accroissement de rsistance le plus prononc a lieu entre 50C et 120C et la rsistance chaud est de quelques dizaines de k.4.11.1 Symbole de la PTCR1-t

R1

4.11.2 Botier dune PTC

4.11.3 Caractristique de la PTC

La caractristique R = f () nous montre la variation de la rsistance PTC lors d'un chauffement extrieur, partir de la temprature ambiante. Pour effectuer cette mesure, il faut s'assurer que la puissance lectrique dissipe dans la rsistance PTC soit suffisamment basse et qu'elle ne provoque pas de hausse de la temprature.

N T C

PT C

N T C

R

Page 12


ETML

La diode :

4

La figure suivante reprsente la caractristique I = f (U) d'une rsistance PTC. Dans le cas de faibles tensions, il est impossible de dceler l'auto-chauffement et la rsistance PTC reste un niveau faible. Ds que le point de transition est atteint, on observe une forte augmentation de la rsistance et le courant diminue malgr l'augmentation de la tension. Si la temprature ambiante est plus leve, le point de transition est dj atteint de basses valeurs de dissipation. (Voir courbe en trait till)I [mA] 0.5W 50R 70C 100 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 0.75W 1k 90C 1W 20k 100C

U [V]

Comme pour les rsistances NTC, on a pour les rsistances PTC des applications soit avec chauffement externe par temprature ambiante, soit avec auto-chauffement d la dissipation.

4.12 Exercices4.12.1 Exercice Soient les montages ci-dessous :V1 100

10 V V3 330

V2

V1 = V2 = V3 Useuil = 0,7 V Rdyn = ngligeable I=?

100 V1 10 V V2

330

V1 = V2 = V3V3

I=?


Page 13

ETML4.12.2 Exercice

La diode :

4

On dsire brancher un rasoir lectrique de voyage sur la prise allume-cigares d'une voiture. Ce rasoir fonctionne sous une tension de 4,5 V et tire un courant I de 500 mA. Dessiner le schma d'une petite alimentation diode Zener, et dimensionner les lments ?4.12.3 Exercice Calculer le courant dans la diode si E1 = + 20V et -20 V.

R1 E1 R2

R2

R1

R1 = 330

R2 = 220

UD = 0,7 V

4.12.4 Exercice Calculer le courant dans la diode Zener si E1 = + 20V et -20 V.

R1 E1 R2

R2

R1

R1 = 330

R2 = 220

UD = 0,7 V

UZ = 2,7 V

Page 14


ETML4.12.5 Exercice Calculer le courant I.

La diode :

4

R1 56 E1 15 V

R3 100 I 2,7 V

R2 47 E2 2,5 V

15 V

4.12.6 Exercice Calculer UO pour les tensions Ui suivantes:

a) +15 V b) +3 V c) 0 V d) -10 V

+5 V

V1 Ui 10k UO

Diode: tension de seuil 0,6 V rsistance dynamique nulleV2

GND


Page 15

ETML4.12.7 Exercice diode et droite de charge

La diode :

4

+15 V

Dterminer le courant, la tension et la puissance dissipe dans V1 en utilisant la courbe du bas de la page.

R1 560

V1

GND

+15 V

4.12.8 Exercice diode et droite de chargeR1 150

Dterminer la valeur de R2 pour que le courant dans la diode V1 soit de 50 mA en utilisant la courbe cidessous.R2

R3 100

V1

GND

GND

I [mA] 60 50 40 30 20 10 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 U [V]

Page 16


ETML4.12.9 Applications de la NTC Donner une brve explication des schmas ci-dessous.

La diode :

4

a)R1 R2

U1

R3

R4

b)

c)

P

MN

d)K1 K1

P

K1

N


Page 17

ETML4.12.10 Applications de la PTC Donner une brve explication des schmas ci-dessous.

La diode :

4

a)

b)

K

K

c)S

K

K

K

L

Page 18


ETMLd)

La diode :

4

K

K

e)


Page 19

ETML5. LE FILTRAGE5.1 Dfinition

Le filtrage :

5

Supposons un tamis avec des trous calibrs et contenant des boules en bois de diffrents diamtres. Toutes les boules d'un diamtre infrieur celui du trou vont tomber du tamis dans un bac. Toutes les boules d'un diamtre suprieur celui du trou vont rester dans le tamis. Il y a donc eu filtrage ou tri des boules en deux catgories. De mme, un filtre de frquence laissera passer des signaux certaines frquences et bloquera des signaux d'autres frquences. Un filtre est un slecteur de frquence et la bande de frquence transmise s'appellera "bande passante" (non transmise = bande coupe). Le gain en tension peut tre dfini par le rapport entre la tension de sortie et la tension d'entre:Gu = US Ue

5.1.1 Filtre idal Un filtre idal serait celui qui transmettrait toutes les frquences utiles d'un signal en liminant toutes les autres. Ce filtre n'existe pas.GU Zones attnues

Zone non attnue

f

5.1.2 Filtre rel Le filtre rel ne coupe pas brusquement les frquences en deux zones. L'attnuation est progressive. La zone o l'amplitude du signal commence diminuer s'appelle "frquence de coupure" et se note fC.GU fC1 = frquence de coupure infrieure fC2 = frquence de coupure suprieure Zone Zone non attnue Zone ou plateau attnue attnue

fC1

fC2

f

05 FILTRE_04/ 4 JUILLET 2006

Page 1

ETML5.2 Le filtre passe-bas

Le filtrage :

5

Tout comme notre tamis laisse passer les boules jusqu' un certain diamtre, ce filtre laissera passer les frquences partir de la frquence nulle (continue) jusqu' une certaine frquence de coupure suprieure. 5.2.1 Le filtre passe-bas R-C

R C

GU 1

UE ~

US

f fCLa frquence de coupure se calcule par :fc = 1 2 R C

fC en [Hz] R en [] C en [F]

Les frquences infrieures fC ne seront pas ou peu attnues. Les frquences suprieures fC seront attnues et ceci d'autant plus qu'elles seront leves. En raisonnant aux limites extrmes, on peut admettre que : a) frquence nulle, la ractance de capacit est infinie et correspond un interrupteur ouvert.

Rpour f = 0 Us = Ue

UE ~

C

US

b) frquence trs grande, la ractance de capacit est pratiquement nulle et correspond un interrupteur ferm ou un court-circuit.

Rpour f = Us = 0V

UE ~

C

US

Page 2

05 FILTRE_04 / 4 JUILLET 2006

ETML5.2.2 Le filtre passe-bas L-R

Le filtrage :

5

L

GU 1

UE ~

R

US

f fC

La frquence de coupure se calcule par :

fC =

R 2 L

fC en [Hz] R en [] L en [H]

Le comportement est identique celui du filtre R-C mais ce systme est moins rpandu du fait des inconvnients de la bobine :

Rayonnement lectromagntique Encombrement et masse Prix lev

Pour les limites extrmes, on obtient : a) frquence nulle, la bobine a une impdance pratiquement nulle (rsistance du cuivre) et correspond un interrupteur ferm.

Lpour f = 0 US = UE

UE ~

R

US

b) frquence trs grande, l'impdance de la bobine est infinie et correspond un interrupteur ouvert.

Lpour f = US = 0V

UE ~

R

US


Page 3

ETML5.2.3 Exemple

Le filtrage :

5

R C

UE ~

US

Soit un filtre passe-bas compos de R = 2,2 k et C = 0,1 F Sa frquence de coupure sera 1 1 fC = = 2 R C 2 2200 0,1 10 6 fC = 723,4 Hz

GU 1

723,4HzPour obtenir le mme rsultat avec une bobine, il faudrait :fC = R 2 L L= R 2 fC

f

L=

2200 = 0,48H 2 fC

Les frquences jusqu' 723 Hz ne seront pas attnues. Les frquences partir de 723 Hz seront attnues et ce d'autant plus qu'elles seront leves. Ce type de filtre permettra l'limination des parasites haute frquence.5.2.3.1 Exemple d'application du filtre passe-bas Filtre sur la ligne d'alimentation d'un autoradio : empche les perturbations HF de pntrer dans la radio par le cble d'alimentation.

Page 4


ETML5.3 Le filtre passe-haut

Le filtrage :

5

Si nous reprenons l'exemple du tamis, nous devrons considrer comme limines les boules ayant pass dans les trous et comme retenues les boules de plus grand diamtre que le trou, restant dans le tamis. De la mme faon, un filtre passe-haut va liminer les frquences infrieures une certaine frquence de coupure (y compris le continu) et laissera passer les frquences suprieures cette frquence de coupure.5.3.1 Le filtre passe-haut C-R

C UE ~ US

GU 1

R

f fcComme pour le filtre RC, la frquence de coupure se calculera par : fC = 1 2 R C

Les frquences infrieures fC seront attnues et ce d'autant plus qu'elles seront faibles. Les frquences suprieures fC ne seront pas ou peu attnues. Pour les limites extrmes, on obtient : a) frquence nulle, la ractance de capacit est infinie et correspond un interrupteur ouvert.

Cpour f = 0 Us = 0V

UE ~

R

US

b) frquence trs grande, la ractance de capacit est nulle et correspond un interrupteur ferm.

Cpour f = US = UE

UE ~

R

US


Page 5

ETML5.3.2 Le filtre passe-haut R-L

Le filtrage :

5

R

GU 1

UE ~

L

USf fc

La frquence de coupure se calcule par :fC = R 2 L

comme pour le filtre LR passe-bas

On constate donc qu'il suffit de croiser R et L ou R et C pour passer d'un filtre passe-bas un filtre passe-haut et vice versa en gardant la mme frquence de coupure.5.3.3 Exemple

On dispose de R = 1 k et on veut une frquence de coupure 1500 Hz pour un filtre passehaut. 1re version : filtre CRfc = 1 1 1 C = = 2 R C 2 R fc 2 1000 1500

C = 0, 1 F 2me version : filtre RLfC = R 2 L L= R 1000 = 2 f C 2 1500

L = 0,1 H Ce filtre laissera passer les frquences suprieures 1500 Hz et attnuera les frquences infrieures 1500 Hz.

Page 6


ETML5.4 Le filtre passe-bande

Le filtrage :

5

Il est possible d'liminer des frquences basses ainsi que des frquences hautes en gardant seulement une bande de frquence entre les deux zones attnues.5.4.1 PrincipeR GU

Filtre passe-basf

C

GU

Filtre passe-haut

R

f GU R C

Filtre passe-bande

C

RBande passante FC2 FC1

f

La mise en srie d'un filtre passe-bas et d'un filtre passe-haut donne un filtre passe-bande dont la bande passante est comprise entre fC1 (frquence de coupure passe-haut) et fC2 (frquence de coupure passe-bas). Condition : Il est impratif d'avoir fC2 > fC1 sans cela il n'est pas possible d'obtenir une zone non attnue.


Page 7

ETML5.5 Complment

Le filtrage :

5

5.5.1 Amplitude des signaux de sortie Pour les reprsentations graphiques, on exprime l'amplitude du signal d'un filtre en dcibels.[dB ]soit 1 Bel[ B] 10

Le dcibel est un rapport entre la tension d'entre et la tension de sortie. Il se calcule par : A = attnuation en [dB]A = 20 log US Ue

US = tension de sortie en [V] Ue = tension d'entre en [V]

Sur les graphiques galement, la frquence est porte sur une chelle logarithmique. On a donc le mme espace entre : 0,1 Hz - 1 Hz - 10 Hz - 100 Hz - 103 Hz - 104 Hz - etc. Sur un graphique, on aura 0 dB dans le plateau ou en bande passante. On aura -3 dB la frquence de coupure et dans la zone d'attnuation, l'amplitude diminuera de 20 dB chaque fois que l'on franchit une dcade (de 1 Hz 10 Hz, de 10 Hz 100 Hz, de l00 Hz 103 Hz, etc.).5.5.2 Phase des signaux de sortie Dans la zone non attnue, le signal de sortie est en phase avec le signal d'entre.

A la frquence de coupure, le signal de sortie est dphas de 45 par rapport au signal d'entre :

en retard pour les filtres passe-bas en avance pour les filtres passe-haut Dans la zone attnue, le dphasage va atteindre 90 entre signal d'entre et signal de sortie : en retard pour les filtres passe-bas en avance pour les filtres passe-haut

Page 8


ETML5.6 Rappels

Le filtrage :

5

5.6.1 L'intgrateur Lorsqu'un filtre passe-bas reoit un signal rectangulaire, il en modifie la forme en fonction du temps de charge du condensateur travers la rsistance. C'est un intgrateur.R

UE

C

US

UE

R

C

US

La constante de temps du circuit s'exprime par : en [S] = RC R en [] C en [F] On admet que le signal de sortie US a atteint le niveau de Ue aprs une dure de 5 . La tension US peut se calculer tout instant :

pour un front de tension montant US = Ue = e= t= = tension de sortie en [V] tension d'entre en [V] nombre de Neper ( e = 2,718) temps au bout duquel on veut connatre Us en [s] constante de temps en [s]

U S = U e (1 e )

t

pour un front de tension descendant US = tension de sortie en [V] Ue = tension aux bornes de C avant le front descendant en [V] e = nombre de Neper ( e = 2,718) t= temps au bout duquel on veut connatre Us en [s] = constante de temps en [s]

U S = Ue e

t

Remarque : on obtient le mme comportement avec le circuit L-R. La constante de temps est alors :

=

L R

= L= R=

constante de temps en [s] inductance en [H] rsistance en []


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ETML

Le filtrage :

5

5.6.2 Le drivateur Lorsqu'un filtre passe-haut reoit un signal rectangulaire, il en modifie la forme en fonction du temps de charge du condensateur travers la rsistance. C'est un drivateur.C UE US

C UE US

R

R

La constante de temps et le temps de stabilisation du signal de sortie sont identiques ceux de l'intgrateur. La tension US se calcule par :

pour un front de tension montantUS = Ue e pour un front de tension descendant U S = U e e t t

Remarque : on obtient le mme comportement avec le circuit R-L pour lequel =5.6.3 Rsum

L R

Page 10


ETML5.7 Exercices5.7.1 Exercice Calculer la frquence de coupure du filtre ci-dessous

Le filtrage :

5

R CR = 100 k C = 10 nF

UE ~

US

5.7.2 Exercice Calculer et dessiner la courbe de rponse du filtre ci-dessous

C UE ~ USR = 1,5 k C = 10 nF

R

5.7.3 Exercice Soit le filtre ci-dessous :

1

L

3fc = 18 kHz R ohmique 1-2 = 1 k

R

2Quel genre de filtre est-ce ? Quelle est la valeur de L ?5.7.4 Exercice

4

RU 5V

UE ~2 ms t

C

US

Calculer et dessiner l'impulsion de sortie si R = 1k2 et C = 100nF


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ETML6. LES MONTAGES A DIODES6.1 Introduction

Les montages diodes:

6

Les diodes sont principalement utilises pour le redressement des tensions alternatives, on les appelle alors "redresseurs" (en anglais : "rectifier").

6.2 Le redressement mono alternance6.2.1 Modle hydraulique La roue aubes, reprsentant la charge du circuit, ne tournera que dans un sens. Dans notre exemple, ce sera le sens horaire.

Piston avec fuites !

6.2.2 Montage diode

Oscilloscope Trace B V 9Veff

230V 50Hz

R charge

Oscilloscope Trace A

Remarque U2 = Tension du secondaire du transformateur UO = Tension de sortie du montage Ces deux tensions seront diffrentes si le transformateur est point milieu (Pleine onde)

06 MONTADIO_04/ 4 JUILLET 2006

Page 1

ETML6.2.3 Diagramme des temps


6

U [V] +12,7 Tension au secondaire du transformateur 0 9Veff = 12,7VP -12,7 U [V] +12 Oscilloscope Trace A aux bornes de R 0 U [V] +0,7 0 Oscilloscope Trace B aux bornes de V -12,76.2.4 Description a) Alternance positive La diode laisse passer le courant ds que son seuil de tension est dpass. On admet une chute de tension moyenne de 0,7 V. Cette chute de tension dpend de :

t

t

t

Courant dans la diode.

Lorsque le courant atteint les possibilits max. de la diode, la chute de tension peut atteindre 1 V 1,5 V (dpend de la rsistance dynamique).

Temprature de la jonction de diode.

Lorsque la diode atteint sa limite de temprature suprieure, le seuil peut tre infrieur 0,5 V. b) Alternance ngative La diode ne conduit pas, il n'y a plus de courant dans la charge, toute la tension apparat aux bornes de la diode. Avec ce montage, la charge est alimente par un courant positif puls.

Page 2

06 MONTADIO_04 / 4 JUILLET 2006

ETML


6

Attention : Deux critres sont respecter lors du choix de la diode : La diode doit supporter le courant direct maximum du circuit o elle est monte. La diode doit avoir une tension de claquage plus grande que la tension inverse maximum du circuit sans quoi elle peut tre dtruite.

Ceci correspond la rupture de la valve en sens bloqu dans le modle hydraulique. Ne pas hsiter monter un lment dissipateur (radiateur) sur la diode si elle est soumise une forte lvation de temprature (la limite de la plupart des modles se trouve 150C). 6.2.5 Valeur de crte La valeur de crte aux bornes de la charge gale la valeur de crte du secondaire du transformateur. U O = U 2 = 2 U 2 eff 6.2.6 Valeur efficace Par dfinition la tension efficace gale la tension continue qui produirait la mme nergie calorifique dans la mme rsistance et pendant le mme temps. 6.2.7 Valeur moyenne Pour le redresseur demi-onde, la valeur moyenne ou en courant continu du signal redress s'crit:VCC = U2

Cette tension moyenne permet de calculer le courant moyen ou courant continu de charge ICC:I CC = VCC RL

6.2.8 Courant limite de diode Le courant moyen traversant la diode doit tre infrieur au courant limite de la diode, not I0 dans les fiches signaltiques. Pour le redresseur demi-onde: I0 = ICC 6.2.9 Tension inverse de crte La tension inverse de crte PIV (Peak Inverse Voltage) est gale la valeur de crte de la tension du secondaire. Pour viter le claquage, la PIV doit tre infrieure la PIV limite de la diode. (Voir fiche signaltique) PIV = U 2


Page 3

ETML


6

6.2.10 Exemple La tension efficace du secondaire d'un transformateur est de 24V. On alimente une rsistance de charge RL de 50 au travers d'un redresseur mono alternance. Calculer: a) La tension de crte entre les bornes RL. b) La tension moyenne aux bornes de RL. c) Le courant moyen traversant RL. d) Le courant moyen dans la diode. e) La PIV entre les bornes de la diode.

6.3 Le redressement double alternances ou pleine ondeCe type de redressement ncessite l'utilisation d'un transformateur avec secondaire point milieu.

230V 50Hz

V1 point milieu

R charge

V2Le point milieu est pris comme rfrence des tensions.

Lorsqu'on a une alternance positive sur V1, elle est ngative sur V2. Lorsqu'on a une alternance ngative sur V1, elle est positive sur V2.

6.3.1 Diagramme des temps

U [V] Tension entre Anode V1 et point milieu t

La tension entre anode V2 et point milieu est en opposition de phase la tension ci-dessus.

Page 4


ETMLUL [V] UL aux bornes de RL


6

V1

V2

V1

V2

V1 t

6.3.2 Description 1er cas : Alternance positive sur V1 et alternance ngative sur V2.

V1 conduit avec une chute de tension admise 0,7 V. V2 est bloque.

2me cas Alternance ngative sur V1 et alternance positive sur V2. V1 est bloque et V2 conduit avec une chute de tension admise 0,7 V. La charge est alimente par un courant positif puls dont la frquence est double de celle du montage mono alternance. Avantage : Meilleur rendement, plus grande facilit de filtrage. Inconvnient : Ncessit d'utiliser un transformateur double secondaire plus coteux que le modle simple. 6.3.3 Valeur de crte La valeur de crte de la tension redresse est gale la moiti de la valeur de crte du secondaire du transformateur.

U UO = 2 = 2

2 U 2eff 2

6.3.4 Valeur moyenne Pour le redresseur pleine onde, la valeur moyenne ou en courant continu du signal redress s'crit:VCC = 2 U O

=

U2

Cette tension moyenne permet de calculer le courant moyen ou courant continu de charge ICC:I CC = VCC RL


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ETML


6

6.3.5 Courant limite des diodes Le courant moyen traversant la diode vaut la moiti du courant moyen de charge et doit tre infrieur au courant limite de la diode, not I0 dans les fiches signaltiques :I0 = I CC 2

6.3.6 Tension inverse de crte La tension inverse de crte PIV (Peak Inverse Voltage) est gale la valeur de crte de la tension du secondaire. Pour viter le claquage, la PIV doit tre infrieure la PIV limite des diodes.(Voir fiche signaltique) PIV = U 2

6.3.7 Exemple La tension efficace du secondaire d'un transformateur est de 24V. On alimente une rsistance de charge RL de 50 au travers d'un redresseur pleine onde. Calculer: a) La tension de crte entre les bornes RL. b) La tension moyenne aux bornes de RL. c) Le courant moyen traversant RL. d) Le courant moyen dans les diodes. e) La PIV entre les bornes des diodes.

6.4 Le redressement double alternances en pont6.4.1 Modle hydraulique La roue aubes reprsentant la charge tournera seulement dans le sens horaire.

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ETML6.4.2 Montage diodes (pont de Graetz)


6

U

V1 V4

V2 V3 R

V1 U V4

V2

V3

R

Si nous prenons comme rfrence (0 V) le bas du secondaire du transformateur : 1er cas : Alternance positive Le courant s'tablit travers V2 - R - V4. V2 et V4 produisent une chute de tension admise 1,4 V.

V2 V4

R

2me cas : Alternance ngative

V1 R

Le courant s'tablit travers V3 - R - V1. V3 et V1 produisent une chute de tension admise 1,4 V.

V3

Remarque : Le sens du courant dans R n'a pas chang d'une alternance l'autre. Le montage donne le mme rsultat que le systme double alternance 2 diodes mais en utilisant un transformateur secondaire simple.


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ETML6.4.3 Diagramme des tempsU2eff [V]


6

t

UR [V]

1,4 [V] V2 + V4 V1 + V3 V2 + V4 V1 + V3 V2 + V4 t

ATTENTION : Ce montage n'a pas de point commun entre l'entre alternative et la sortie continue. Ceci est important lors de mesures l'oscilloscope. Les masses des 2 sondes doivent tre au mme potentiel. 6.4.4 Valeur de crte La valeur de crte de la tension redresse est gale la valeur de crte du secondaire du transformateur. U O = U 2 = 2 U 2 eff 6.4.5 Valeur moyenne Pour le redresseur en pont, la valeur moyenne ou en courant continu du signal redress s'crit :VCC = 2 U O

=

2 U 2

Cette tension moyenne permet de calculer le courant moyen ou courant continu de charge ICC :V I CC = CC RL

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ETML


6

6.4.6 Courant limite des diodes Le courant moyen traversant la diode vaut la moiti du courant moyen de charge et doit tre infrieur au courant limite de la diode, not I0 dans les fiches signaltiques:I0 = I CC 2

6.4.7 Tension inverse de crte La tension inverse de crte PIV (Peak Inverse Voltage) est gale la valeur de crte de la tension du secondaire. Pour viter le claquage, la PIV doit tre infrieure la PIV limite des diodes.(Voir fiche signaltique) PIV = U 2

6.4.8 Exemple La tension efficace du secondaire d'un transformateur est de 24V. On alimente une rsistance de charge RL de 50 au travers d'un redresseur en pont. Calculer: a) La tension de crte entre les bornes RL. b) La tension moyenne aux bornes de RL. c) Le courant moyen traversant RL. d) Le courant moyen dans les diodes. e) La PIV entre les bornes des diodes. 6.4.9 Redresseurs en pont encapsuls Les redresseurs en pont se trouvent galement sous forme encapsule dans un botier hermtique.

6.4.10 Symbole CEI du redresseur en pont encapsul


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ETML6.5 ComparaisonDemi-onde Nombre de diode Tension de crte de sortie 1 U2


6

Pleine onde 2 U2 2 U2

Pont 4 U2

Tension continue de sortie

U2

2 U 2

Courant continu de diode

ICC U2

I CC 2 U2

I CC 2 U2

PIV Frquence dondulation

50 Hz

100 Hz

100 Hz

6.6 Filtre condensateur en tteLe signal de sortie des redresseurs que nous venons dtudier est une tension continue pulse. Lutilisation de ce type de tension est limite la charge des batteries, aux moteurs courant continu et quelques autres applications. La plupart des circuits lectroniques ncessitent une tension continue constante avec une ondulation la plus faible possible. Pour cette raison, il est indispensable de rajouter un filtre aux montages tudis. 6.6.1 Filtrage dun signal demi-onde

Page 10


ETML6.6.2 Tension continue obtenueUL


6

t

6.6.3 Explications

6.6.4 Filtrage dun signal pleine-onde


Page 11

ETML6.6.5 Tension continue obtenueUL


6

t

6.6.6 Explication

6.6.7 Angle de conduction dune diode Pour les redresseurs pleine onde sans filtrage, langle de conduction de chaque diode est de 180 alors que pour ces mmes redresseurs avec condensateur en tte cet angle nest que de quelques degrs. Les diodes de ces montages ne conduisent que brivement prs de la crte pour recharger le condensateur et sont bloques tout le reste du cycle. 6.6.8 Calcul de londulation La tension dondulation aux bornes du condensateur est proportionnelle au courant continu de charge, inversement proportionnelle la capacit du condensateur et inversement proportionnelle la frquence dondulation ( frquence du secteur !)

U ond =

I f C

Page 12


ETML6.7 Choix du condensateur


6

En analysant la relation ci-dessus, on se rend compte que plus la capacit de C est grande, plus la tension dondulation diminue. Malheureusement, le volume du condensateur augmente et il faudra donc trouver un compromis. Une mthode est la rgle des 10%, qui consiste choisir C de manire avoir une ondulation 10% de la valeur de crte. Cette valeur peut paratre grande, mais les montages tudis sont en principe suivis dun rgulateur de tension dont le but est dobtenir une grande stabilit de la tension indpendamment de la charge. 6.7.1 Courant limite I0 (Montage pleine onde) Le courant moyen ou continu circulant dans un condensateur tant nul, le calcul de I0 est:I0 = I CC V U2 = CC = 2 2 RL 4 RL

6.7.2 PIV Pour bien comprendre cette valeur prenons lexemple du redresseur demi-onde avec filtre condensateur en tte.

Le mme raisonnement peut tre fait pour les redresseurs pleine onde et en pont.

6.8 Comparaison avec condensateur en tteDemi-onde Nombre de diode Tension continue de sortie 1 U2

Pleine onde 2 U2 2

Pont 4 U2

Courant continu de diode

ICC 2U 2

I CC 2 U2

I CC 2 U2

PIV Frquence dondulation

50 Hz

100 Hz

100 Hz


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6

6.8.1 Courant de surcharge Avant la mise sous tension, le condensateur de filtrage nest pas charg et ressemble donc un court-circuit. Le courant initial de charge est donc trs grand car la rsistance vue du condensateur est trs petite. (Rsistance de lenroulement et rsistance statique des diodes) Dans le pire des cas, si la mise sous tension a lieu au moment o la tension secondaire vaut U 2 le courant de surcharge est maximum:

I Surch arg e max =

U2 RTH

Si le condensateur est de valeur trs leve, il est possible que les diodes se dtruisent lors de la mise sous tension. Un moyen de limiter le courant de surcharge est dajouter une rsistance de surcharge selon le schma ci-dessous. Cependant leur prsence va diminuer la tension continue de charge. On peut galement remplacer cette rsistance par une NTC.

6.9 Multiplicateurs de tensionLes multiplicateurs de tension sont constitus de plusieurs redresseurs de crte qui produisent une tension continue gale un multiple de la tension de crte du secondaire. Ces dispositifs sont utiliss comme alimentation haute tension (HT) bas courant tels les tubes rayons cathodiques. (25 kV) 6.9.1 Doubleur de tension demi-onde

Page 14


ETML6.9.2 Explication


6

En rajoutant des cellules en srie, il est possible dobtenir des tripleurs et des quadrupleurs de tension. Thoriquement il est possible dajouter indfiniment des cellules mais londulation deviendrait de plus en plus importante. 6.9.3 Tripleur de tension

6.9.4 Quadripleur de tension


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ETML6.10 Exercices


6

6.10.1 Exercice Calculer la tension continue de charge, le courant continu de charge, le courant continu qui circule dans chaque diode et la PIV entre les bornes de chaque diode.

24VAC

220R

6.10.2 Exercice Calculer les tensions continues de charge, les courants continus de charge, le courant continu qui circule dans chaque diode et la PIV entre les bornes de chaque diode.

48VAC

R1 47R

R2 220R

6.10.3 Exercice Calculer la tension continue de charge, londulation de crte crte, le courant limite des diodes ainsi que la PIV si U2eff = 24 V RL = 400 C = 220 F

C

R

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6

6.10.4 Exercice Soit une alimentation fractionne. En raison de la mise la masse de la prise mdiane, les tensions de sorties sont gales et de polarits opposes. Supposer que la tension secondaire efficace est de 36 V et que les condensateurs ont une capacit de 1000 F, calculer les tensions continues des sorties, l'ondulation de crte crte et le courant Io limite minimal ainsi que la PIV limite minimale des diodes.

330R

330R

6.10.5 Exercice Calculer la tension idale de charge ainsi que la PIV aux bornes de chaque diode si U2eff = 9 V.

C1

V2

V1

C2

RL

6.10.6 Exercice Dcrire le fonctionnement du montage ci-dessous et donner la valeur de UL si la tension secondaire efficace est de 12 V.V1

C1 RL C2

V2


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ETML7. LE TRANSISTOR BIPOLAIRE7.1 Principe physique

Le transistor bipolaire:

7

Associons ensemble trois plaques de silicium dopes pour avoir successivement : zone N - zone P - zone N et effectuons le branchement suivant :Zone N Zone P Zone N lectrons lacunes

s

EMETTEUR E1

BASE

COLLECTEUR E2

Schma quivalent :EMETTEUR BASE s E1 E2 COLLECTEUR

Situation 1 :

linterrupteur S est ouvert. Aucun courant ne circule entre les points appels "Base" et "Emetteur". La jonction dans le circuit form entre les bornes "Base" et "Collecteur" est polarise en inverse. Cette jonction est donc bloque. Il ne circule que le courant de fuite de quelques nanoampres.

Situation 2 :

linterrupteur S est ferm. Il suffit que la source E1 ait un potentiel lgrement suprieur la tension de seuil (0,7 V) et la diode Base - Emetteur conduit. Il stablit un mouvement ou courant dlectrons de lmetteur vers la base. Ceci correspond un sens conventionnel du courant lectrique de base vers lmetteur. Cest ici quapparat leffet transistor. La zone P de base a une paisseur extrmement faible. Lorsque le courant d'lectrons s'tablit de l'metteur vers la base, on ne voit pas apparatre la base la totalit des lectrons partis de l'metteur. L'explication est la suivante :

07 TRANSIS_04/ 4 JUILLET 2006

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ETML

Le transistor bipolaire:Lorsque les lectrons arrivent dans la zone de base, cette dernire tant trs mince, ils sont attirs par la tension positive de collecteur plus leve que la tension de base. Ils traversent la zone base collecteur qui est pour eux une diode en inverse et se retrouvent au collecteur.

7

On rcolte ainsi au minimum 98 % des lectrons partis de l'metteur sur le collecteur et au maximum 2 % de ces lectrons sur la base. Ceci se traduit par le schma ci-dessous :

Emetteur 100% des lectrons mis

Collecteur au moins 98% des lectrons mis

Base pas plus de 2% des lectrons mis

En gnral, on considre

Courant de collecteur : Courant de base :

99,8 98 % du courant d'metteur. 0,2 2 % du courant d'metteur.

7.2 Symbole graphiqueLe transistor que nous venons de dcrire est de type NPN (alternance des couches). Son symbole est le suivant :C B

Collecteur = C Base = B

Emetteur = E

E Analogie diodes

Transistor NPN

Malgr la symtrie apparente sur le schma quivalent diodes entre le collecteur et l'metteur, on ne peut pas croiser ces deux bornes. Le collecteur a la plus grande tension ses bornes et la puissance qu'il doit dissiper est importante (P = U I). Il a une grande surface pour cela. L'metteur a une faible tension ses bornes et pour un courant sensiblement gal celui du collecteur, la puissance dissipe est beaucoup plus faible. Sa surface est faible. A noter que la flche sur la borne metteur indique le sens direct de la diode base metteur.

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07 TRANSIS_04 / 4 JUILLET 2006

ETML7.3 Schma lectrique


7

Le montage ci-dessous est un montage de principe lmentaire du transistor NPN avec sens conventionnel des courants.IC IB UCE VB UBE IE VCC

De cette figure, on dduit la relation fondamentale du transistor :

IE = IB + IC

Si UB est infrieure 0,4 V, il n'y aura pas de courant IB, donc pas de courant IC car IC dpend de IB C'est le courant IB qui commande le courant IC ou Un petit courant d'entre (IB) commande un grand courant de sortie (IC)

7.4 Modle hydraulique

Canal principal en haut Canal principal en bas Canal latral Poids du clapet - contrepoids sur levier

: comparable au collecteur : comparable l'metteur : comparable la base : comparable la tension de seuil de 0,7 V


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ETML


7

Fonctionnement : En l'absence de dbit latral, le dbit principal ne peut s'tablir. Ds que le liquide est prsent dans le canal latral avec une pression suffisante (analogue au seuil), il peut pousser le volet de fermeture du canal principal. Plus la pression du canal latral sera forte donc plus le dbit de ce dernier sera important et plus le dbit du canal principal sera important (jusqu'au dbit maximum). Il y a une proportion entre le dbit du canal latral (base) et le dbit du canal principal (collecteur). Le dbit total se retrouve dans le canal principal en aval du volet de commande (c'est la zone de l'metteur).

7.5 L'autre transistor : le PNP7.5.1 Principe physique

Zone P

Zone N

Zone P lectrons

lacunes

S

EMETTEUR E1

BASE

COLLECTEUR E2

7.5.2 Schma quivalentEMETTEUR BASE S E1 E2 COLLECTEUR

Le comportement physique est similaire celui du transistor NPN avec les diffrences suivantes :

Nous avons affaire un courant de trous (charges positives) au lieu d'un courant d'lectrons (charges ngatives) Les polarits des alimentations sont inverses. C'est cette fois le ple ngatif de E2 qui attire les trous de l'metteur vers le collecteur. Le sens physique du mouvement des charges correspond au sens conventionnel du courant.

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ETMLLes mmes proportions de courant sont respectes. 7.5.3 Symbole graphique


7

C Collecteur = C Base = B B

Emetteur = E

E Analogie

Transistor PNP

La flche sur la borne metteur indique le sens de la diode base metteur. 7.5.4 Schma lectrique

IC IB UEC VB UEB IE VCC

Les mmes remarques que pour le transistor NPN s'appliquent au transistor PNP.

7.6 Les paramtres des transistorsNous savons qu'en entre du transistor un petit courant de base commande un grand courant de collecteur en sortie. Le transistor est donc un composant actif command en courant et amplifiant ce courant entre l'entre et la sortie. Il serait intressant de connatre le rapport de dmultiplication de ce courant = hFE =IC IB

que nous appellerons rapport d'amplification. Il se note par :

(bta) hFE que l'on trouvera plus couramment dans les catalogues de donnes techniques.

Ce coefficient d'amplification sera le rapport du courant de sortie sur le courant d'entre.


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ETML=98 = 49 2


7

Si on a 98 99,8% du courant dans IC et 2 0,2% dans la base, alors : jusqu =99,8 = 499 0,2

ce qui donne 50 < < 500 On trouve dans la gamme commerciale entre 20 et 900. Ce qui signifie que IC peut tre 20 fois (transistors de forte puissance) 900 fois (transistors petits signaux) suprieur IB. Un autre paramtre se note (alpha)

=

IC IE

avec 0,98 < < 0,998

Cela signifie que pour 100% des lectrons partant de l'metteur, 98% 99,8% se retrouvent au collecteur.

7.7 Rseau de caractristiques7.7.1 Le courant de collecteur IC en fonction du courant de base IB et de la tension collecteur metteur UCE 7.7.1.1 Schma du montage de mesureMesure de IC Mesure de IB A VB A

Mesure de UCE

V

VCC

7.7.1.2 Rseau obtenu

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ETML


7

Chaque courbe correspond un courant IB maintenu constant pendant la mesure. On constate qu' partir de 2 V et jusqu' 30 V dans notre exemple, IC dpend peu de UCE mais se trouve dans un rapport = 100 par rapport IB. C'est la zone d'amplification. On distingue galement une zone de saturation pour UCE = 0 2 V. C'est une zone comportement rsistif : La tension UCE doit vaincre la rsistance du silicium avant d'atteindre le courant IC impos par IB .

Enfin, une troisime zone, dite zone de claquage. Si la tension UCE dpasse la tension maximum admissible entre collecteur et metteur, on a, comme dans une diode en inverse, une brutale augmentation du courant entranant la destruction du transistor si elle n'est pas contrle. Il faut bien choisir le transistor en fonction de l'application pour ne pas atteindre cette zone.

7.7.2 Le courant IB en fonction de la tension base metteur UBE 7.7.2.1 Schma du montage de mesure

A VC'est la mesure de la caractristique de diode base metteur analogue la caractristique directe d'une diode au silicium

7.7.2.2 Rseau obtenuI B [A] 700 600 500 400 300 200 100 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 U BE [V]

IMPORTANT : il est retenir que la diode base metteur d'un transistor ne supporte pas de grandes tensions inverses. La tension de claquage se situe vers -5 V -20 V.


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7

En cas de risque d'impulsions ngatives sur la base, on adaptera le montage ci-dessous.

V1

En plaant la diode V1, la tension ngative UBE ne dpassera pas - 0,7 V

7.8 Influence de la tempratureLorsqu'un transistor est travers par un courant, sa temprature augmente. Ceci a pour effet de diminuer le seuil de tension de la diode B-E ce qui correspond en hydraulique baisser la hauteur d'un barrage de rgulation de dbit au fil de l'eau. Consquence : si UBE diminue, le courant IB augmente (comme le dbit du cours d'eau pris en exemple).

Si IB augmente, IC augmente aussi. Si IC augmente, le transistor chauffe davantage.

Ceci entrane une nouvelle diminution du seuil UBE . C'est l'emballement thermique d au coefficient de temprature ngatif des semi-conducteurs au silicium et au germanium. Cet emballement peut entraner la destruction du transistor si aucune disposition n'est prise dans le montage.

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ETML7.9 Test statique d'un transistor


7

Le test peut se faire l'aide d'un ohmmtre ou mieux avec un vibreur lectronique ou la position "test diode" d'un multimtre numrique. Le courant dlivr par l'appareil ne doit pas dpasser quelques dizaines de microampres. 7.9.1 Test du transistor NPN

+

-

+

-

+

-

BEEP

R IE N

+

-

+

-

+

-

7.9.2 Test du transistor PNP

+ + + -

-

+

-

+

-

+

-


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ETML7.10 Identification des bornes


7

Le montage dans un circuit ou le test du transistor ne peut se faire si l'on ne peut identifier les bornes de base, collecteur et metteur. Le meilleur moyen d'identifier un transistor est de disposer du livre de donnes techniques d'un fabricant ou d'un lexique international. Les botiers les plus courants figurent ci-aprs. 7.10.1 Les botiers mtalliques

Attention : le collecteur des transistors botier mtallique est reli au botier. Un contact entre ce dernier et le chssis ou un point la masse provoque un court-circuit.

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ETML7.10.2 Les botiers plastiques


7

Attention : Les ailettes ou surfaces mtalliques de fixation des transistors de puissance en botiers plastiques sont relies au collecteur. Une fixation non isole sur le chssis provoque un court-circuit.


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ETML7.11 Exercices


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7.11.1 Exercice Supposer que seulement 2 % des lectrons injects dans l'metteur d'un transistor se recombinent avec les trous de la base et qu'un million d'lectrons pntrent dans l'metteur par ms. Calculer le nombre d'lectrons qui sortent par ms, par le conducteur de la base et par celui du collecteur ?

7.11.2 Exercice Le gain type hFE d'un transistor 2N 3298 est de 90. Supposez un courant d'metteur IE de 10mA. Calculer IC et IB

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ETML

Polarisation et amplification :

8

8. Polarisation et amplification8.1 Dfinition8.1.1 Polarisation Polariser un transistor, c'est placer les composants ncessaires pour le prparer amplifier des signaux variables. La polarisation impose au transistor les valeurs de courant et de tension en continu. 8.1.2 Amplification Un signal plac l'entre du transistor (base) va se retrouver la sortie (gnralement collecteur) avec une amplitude plus grande mais en conservant sa forme. Si le signal est dform, on dit qu'il y a distorsion. L'amplification peut se faire en courant ou en tension.

8.2 Polarisation en courantComme exemple, nous allons prendre un montage o le transistor commande le courant d'une rsistance de 60 . Le montage est aliment en 12 V.

RB IB

VCC 12V RL 60 UL IC UCE UBE

On connat hFE (ou ) du transistor = 100 UBE = 0,7 V On dsire au repos faire circuler un courant de 100 mA dans le collecteur du transistor. On a donc un courant de 100 mA dans RL. La tension aux bornes de RL vaut : UL = RL IC = 60 0,1 = 6 V Ne pas oublier que le courant de collecteur est la consquence du courant de base. Sachant que IC vaut 0,1 A et que hFE vaut 100, alors IB vaut :

I I = C = 1 10 3 = 1 mA B h FE08 TRANSPOL_04/ 4 JUILLET 2006

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ETMLSi UBE = 0,7 V, la tension aux bornes de RB vaut URB = VCC - UBE = 12 - 0,7 = 11,3 V Donc, nous obtenons RBRB = U RB 11,3 = = 11,3 103 = 11,3k IB 1 10 3


8

Ceci nous permet de calculer RB pour satisfaire cette condition.

En rsum : Notre transistor est polaris. Un courant de 1 mA la base impose un courant de 100 mA au collecteur. La tension est de 6 V aux bornes de RL, elle peut varier entre 0 et 12 V et le courant entre 0 et 200 mA. La situation du transistor polaris (100 mA et 6 V) est une situation d'attente des signaux variables en entre.

8.3 Amplification8.3.1 Schma

VCC +12 V RL 60

Nous avons ajout notre schma de base polaris un condensateur CB. Ce condensateur CB permet de transmettre la base du transistor un signal variable qui s'ajoute la polarisation. D'autre part, CB vite que le courant continu de polarisation soit partiellement absorb par le gnrateur de signaux variables.

RB CB

8.3.2 Fonctionnement Si le signal d'entre augmente :

Il ajoute des lectrons la base, le courant IB augmente donc IC = IB hFE augmente de faon plus importante (multiplication de l'augmentation de IB par hFE) et la puissance dans RL augmente.

Si le signal d'entre diminue : Il y a moins d'lectrons la base, le courant IB diminue et la puissance dans RL diminue.

C'est L'AMPLIFICATION EN COURANT qui se rsume ainsi :

Si IB Si IB

, IC , IC

(Voir Exercice 8.8.1)

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08 TRANSPOL_04 / 4 JUILLET 2006

ETML8.4 La polarisation en tensionVCC +12 V RL 60 UL IC IB UCE UBE Condition pour la stabilit du montage :


8

R1 IP R2

Dans ce cas, c'est un pont diviseur form par R1 et R2 qui impose une tension constante de l'ordre de 0,7 V sur la base du transistor. Le courant IB rgl par R1 et R2 commande le courant IC.

Le prlvement par le transistor du courant IB ne doit pas influencer la tension du pont diviseur dans de grandes proportions. On prendra IP = 10 20 fois IB Si on reprend les mmes donnes que prcdemment, soit IC hFE IB UL UBE = 100 mA = 100 = 1 mA = UCE = 6 V = 0,7 V

= 60 RL Alors nous pouvons calculer R1 et R2 a) Calcul de R2 Le courant dans R2 sera pris 15 fois IB soit 15 mA La tension UR2 = UBE = 0,7 V Donc : R2 =0,7 U BE = = 46,7 15 10 3 IP

b) Calcul de R1 Le courant dans R1 sera IP + IB soit 16 mA La tension aux bornes de R1 sera VCC-UBE = 12 - 0,7 = 11,3 V Donc : R1 =11,3 U R1 = = 706,3 I R1 16 10 3

Ce montage est maintenant polaris et prt amplifier.

08 TRANSPOL_04/ 4 JUILLET 2006

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ETML8.5 L'amplification


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Si on impose une faible variation de UBE par Ue travers CB (CB conserve le mme rle que pour l'amplification en courant), on va retrouver une forte variation de US.

VCC +12 V R1 RL IC CC

CB

Ue

UCE R2

US

a) Si Ue augmente

UBE augmente IB augmente IC augmente (IC = IB hFE) UL augmente car le courant a augment dans RL (UL = RL IC) UCE diminue de la valeur dont UL a augment, car tout instant VCC = 12 V = UL + UCE, donc si l'une augmente, l'autre diminue et vice versa. La tension US diminue d'une valeur absolue suprieure l'augmentation de Ue. C'est l'amplification en tension.

Remarque : Le condensateur CC ne laisse passer que les variations du collecteur sur la sortie US. La composante continue de polarisation de 6 V n'apparat pas sur US. On n'y retrouve que le signal d'entre amplifi. b) Si Ue diminue UBE diminue

IB diminue IC diminue Ul diminue (le courant diminue dans RL) UCE augmente de la valeur dont UL a diminu La tension Us augmente d'une valeur absolue suprieure la diminution de Ue

Il est noter que le signal de sortie est en opposition de phase par rapport au signal d'entre (dphasage de 180). Ceci est caractristique ce montage appel metteur commun, car l'metteur est la masse et sert de point de rfrence aux autres bornes du transistor. C'est le montage le plus rpandu.

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ETMLVCC +12 V


8

8.6 Le transistor en tant que rsistanceVCC +12 V

R1 Ue CB V R2

RC US Ue

R1

RC US P

V R2

Le transistor agit comme une rsistance qui varie en fonction du signal d'entre Ue. Ceci lui a valu son nom car TRANSISTOR est la contraction de TRANSFER RESISTOR ou rsistance de transfert. Un signal d'entre agissant sur la rsistance de passage d'un transistor dtermine le signal de sortie. La rsistance variable du transistor assure le transfert de l'entre vers la sortie. De mme en hydraulique, le transistor correspond un robinet commandant un dbit important command par la poigne du robinet correspondant la base. Cette poigne peut tre remplace par un systme pistons agissant la faible pression d'une source hydraulique extrieure au circuit principal.

8.7 La drive thermiqueNous retrouvons dans les amplificateurs transistor ce phnomne dj voqu prcdemment. Tout tage amplificateur peut tre soumis une lvation de temprature. Si la temprature augmente, le seuil de tension UBE de 0,7 V diminue. Ceci entrane une augmentation de IB. Le transistor conduit plus, s'chauffe plus et c'est l'emballement thermique pouvant entraner la destruction du transistor. Ce phnomne n'est pas souhait, il faut donc chercher l'annuler. Il suffira pour cela d'une rsistance RE et d'un condensateur CE.VCC +12 V R1 RC CC B UBE R2 UE Q E RE CE US

CB Ue


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ETML


8

RE stabilise le montage en cas de variation de temprature. Si la temprature augmente : La tension au UBE a tendance diminuer. Le courant de base, donc de collecteur va augmenter. Le courant d'metteur IE = IB + IC augmente. Dans ce cas, la chute de tension dans RE augmente, ce qui a pour effet de remonter la tension en E.

Ceci a pour effet de compenser la tendance de UBE diminuer en stabilisant IB et le fonctionnement du montage.1 1 RE est prise de telle faon que U E = VCC 3 10 CE court-circuite la masse les variations du signal d'entre Ue. Le potentiel au point E est stable (niveau continu). Les variations de Ue ne se rpercutent qu'au collecteur.

8.8 Exercices8.8.1 Exercice On dsire UCE = 6 V, IC = 3,6 mA avec VCC = 12 V et un transistor polaris par un courant de base dont le gain hFE = 80.

Calculer RB et RC thoriques et en valeurs normalises ?8.8.2 ExerciceVCC +24 V IP R1 4k7 IB R3 2k2

UBE IP

= - 0,7 V = 20 IB

Calculer UEC et IC ?

R2 18k

R4 4k7

0V

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ETML8.8.3 Exercice polarisationVCC


8

CalculerR1 10k IP IB R3 1k

a) UCE b) IC c) hFE si VCC = 12 V UBE = 0,7 V IP = 20 IB

R2 22k

R4 3k9

8.8.4 Exercice PNP - NPNR1 18k R3 500R IC2 V2 R2 10k

E2 5V

E1 20 V

V1

Si V1 et V2 ont une chute de tension UBE = 0,7 V et un gain en courant = 100, calculer le courant IC2 et la tension UCE2.

8.8.5 Exercice avec LEDVCC = 12 V

Calculer le courant dans la LED si UBE = 0,7 V.R1 680R V RE 220R

6V2


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ETML8.8.6 Exercice NPN PNP


8

R2 R1 + E1 10 V V1 82k 1k2 R3 16R US V2

Calculer US si UBE = 0,7 V hFE = 50

8.8.7 Exercice

V2 RL + E1 12 V V1 5V6 R1 2k 100R UL

Dterminer UL, IL, UCE et PV2 si hFE = 100

8.8.8 Exercice charge de condensateurS1 RE V1 5V6 + 10 V E1 R1 10k C 100n V2 390R

1. Calculer IE condensateur. 2. Calculer IC condensateur.

sans avec

3. Calculer UC 20 s aprs la fermeture de S1.

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ETML

Le transistor en commutation :

9

9. LE TRANSISTOR EN COMMUTATION9.1 GnralitsL'utilisation du transistor en tant qu'interrupteur est une de ses applications principales en lectronique industrielle. Dans cette situation, il n'y a que deux tats de fonctionnement :

Le transistor ne conduit pas. C'est l'tat bloqu. Il correspond un interrupteur ouvert. Le courant de base est nul donc : IC = 0

Le transistor conduit totalement. C'est l'tat satur. Il correspond un interrupteur ferm. Il existe une chute de tension de l'ordre de 0,1 V 0,4 V entre metteur et collecteur du transistor. C'est la tension de saturation due la rsistance du silicium.VCC VCC Lampe allume UCE = 0,1 0,4 V

VCC RB UCE = VCC Condition de blocage : Il suffit que UBE 0,4 V Lampe teinte

VCC

RB

IB IC / UBE = 0,7 V

Condition de saturation :

On qualifie galement ce montage de "tout ou rien". Le transistor conduit totalement ou ne conduit pas. Les avantages du transistor sur l'interrupteur sont les suivants :

fonctionnement statique - pas de pices en mouvement grande vitesse de commutation, peut fonctionner dans le domaine des MHz ce qui est impossible pour un interrupteur mcanique dure de vie pratiquement infinie pas de rebonds car il n'y a plus de contacts.

09 TRANSCOM_04/ 4 JUILLET 2006

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ETML

Le transistor en commutation :

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L'interrupteur dessin sur le schma de principe ne sera bien sr que peu utilis en pratique. Dans nombre d'applications, la base du transistor recevra un signal provenant d'un circuit numrique (travaillant avec des niveaux 1 ou 0 c'est--dire VCC ou masse). En hydraulique, le transistor en commutation devient comparable une vanne 2 positions (position ouverte et position ferme).

9.2 L'inverseurVCC La RB +12V 12V 2,4W US Circuit logique UE

1er cas : Interrupteur ouvert = transistor satur. Le transistor est aliment par VCC travers RB On connat La 12 V / 2,4 W RLa = 60 hFE = = 100 UCEsat = 0,1 V En conduction, la lampe laisse passer un courant IC de 200 mA. Elle est allume. Ceci permet de dduire IB minimum pour saturer le transistor.Etant donn la large plage de hFE et les diffrences entre plusieurs transistors ayant la mme rfrence, on assure en prenantIB = IC = 20 mA 10

On est ainsi certain que le transistor sera bien satur, mme si on effectue un remplacement en dpannage. Dans notre cas : URB = VCC - UBE = 12 - 0,7 = 11,3 V

RB =

U RB 11,3 = = 565 choix:680 IB 20 10 3

Dans ce cas, le

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