TD Classe Ampli

7/25/2019 TD Classe Ampli

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Département d'Electronique

Elèves de deuxième année

Travaux Dirigés d’électronique non linéaire

Olivier BERNALMarc LESCURE



TD Electronique Non-Linéaire 2

INP – ENSEEIHT – Electronique Non Linéaire

INP-ENSEEIHT


TDn°1 : Amplification classe AB- Amplificateur classe AB

- Résistance thermique et température de jonction

TDn°2 : Redressement - filtrage

- Chargeur de batteries d’accumulateur

- Redressement et filtrage double alternance d’une alimentation secteur

TDn°3 : Amplification classe C





INP-ENSEEIHT


Problème Ch. I

Amplificateur classe AB

La figure 1 représente un étage de sortie collecteur commun fonctionnant en classe

AB. Le circuit est alimenté avec deux sources de tension :

- l’une positive de f.é.m. V12E1 +=

- l’autre négative de f.é.m. V12E2 −= .

Les transistors Q3 (PNP : 2N2907) et Q4 (NPN : 2N2222) sont des collecteurs

communs fonctionnant en classe A. Ils ont pour rôle principal de prépolariser les transistorsQ1 et Q2 pour que ceux ci présentent une faible distorsion de raccordement de la tension de

sortie vs(t) (classe AB). Q3 et Q4 présentent des courants de saturation IS3 = IS4 = 10-14

A.

Les résistances de contre réaction RE1 = RE2 = 1Ω sont positionnées sur les émetteurs

de Q1 et Q2 ; ils garantissent une stabilité en température du point de fonctionnement au repos

des courants des collecteurs (IC1)0 et (IC2)0 des deux transistors de puissance.

Les transistors Q1-Q2 NPN-PNP complémentaires sont de type TIP41-TIP42 en

boîtier TO66 (note technique). Leurs courants de saturation des jonctions base émetteur IS1 =

IS2 = 10-12

A.

Figure 1 : Les transistors Q3 et Q4 sont câblés en collecteurs communs en classe A ; leurs tensions base

émetteur prépolarisent en classe AB l’étage de puissance formé par Q1 et Q2.

Le circuit BUF634 présente une structure analogue

500Ω

1Ω

1Ω

8Ω

500Ω

Q3

E1 = +12V

E1 = +12V

RE3

Ve(t)

RE4

Vs(t)

RL

Q1

RE1

E2 = -12V

Q4

RE2

Q2

E2 = -12V





Question 1)Au repos, c’est à dire lorsque ve(t) = 0, on admet que vs(t) = 0, et donc aucun courant ne

circule dans la résistance de charge RL = 8Ω.

Déterminer :

a) à partir de la loi exponentielle : ( )TBESC uVexpII =

les tensions VE3 et VE4 des émetteurs de Q3 et Q4. En déduire la d.d.p. VB1–VB2 entre les bases

de Q1 et Q2.

b) les tensions VBE1 et VBE2 et les courants (IC1)0 , (IC2)0 au repos.

Question 2)Principe. On suppose que le circuit est correctement polarisé et qu’on applique à l’entrée un

signal sinusoïdal d’amplitude VeM = 2V. Décrire le fonctionnement de ce circuit. En déduire

la forme de la tension de sortie vs(t). Quelle est la valeur du gain en tension :

( ) ( )tvtva sev =

a) si : RE1 = RE2 = 0

b) si : RE1 = RE2 = 1Ω

Question 3)

En régime sinusoïdal permanent; le circuit fournit à la résistance de charge RL = 8Ω une

tension alternative de fréquence f = 1kHz et d’amplitude VsM = 8V (c’est à dire 16Vcrête à crête).

Déterminer :

a) la puissance dissipée dans la résistance RL,

b) les intensités des courants crête IC1M , IC2M et moyens IC1moyen , IC2moyen qui

traversent Q1 et Q2. (On négligera les valeurs des courants de repos).

c) la puissance électrique fournie par chacune des deux alimentations via Q1 et Q2.

d) la puissance moyenne dissipée par Q1 et Q2.

e) le rendement énergétique η de l’étage Q1 et Q2 que l’on comparera au rendement

maximum que peut fournir un circuit classe B.

Question 4)Avec la condition de l’intensité maximale du courant crête, il correspond les tensions

minimales entre collecteur et émetteur de saturation VCEsat = 0,3V.

Pour la pleine puissance, avec un signal sinusoïdal, à la limite de la distorsion harmonique

par écrêtage de la tension de sortie, déterminer :

a) la puissance moyenne maximale fournie à la charge RL ,

b) la puissance dissipée par les transistors Q1 et Q2.





INP-ENSEEIHT


Problème Ch. I

Résistance thermique et température de jonction

On se propose de déterminer la température TJ de jonction et celle TC de boîtier

des deux transistors de puissance Q1 et Q2 d’un « buffer » émetteur suiveur fonctionnent en

classe B (figure 1). Le circuit est alimenté avec les sources de tension de f.é.m.

E V E V1 212 12= + = −, ; il fournit le maximum de puissance en régime sinusoïdal permanent

à une résistance de charge RL = 8Ω . Les résistances de contre réaction sont RE1 = RE2 = 1Ω.

A l’intensité du courant crête maximum, il correspond les tensions minimales entre collecteur

et émetteur VCEsat = 0,3V.Les transistors Q1 et Q2 , sont de type TIP41-TIP42 en boîtier TO66 (note technique).

Le constructeur indique que la température maximale de jonction est TJ Maxi = +150°C.

D’autre part,

a) si le boîtier du transistor est à l'air libre, sans radiateur supplémentaire, avec une

température ambiante TA = +25°C, la puissance maximale moyenne qu'il peut dissiper est

P1 Maxi = 2W.

b) si la température du boîtier TC du transistor est maintenue à une température

constante égale à celle de l'ambiante, TC = TA = +25°C, la puissance dissipée maximale qui

correspondrait à TJ Maxi = 150°C est P2 Maxi = 65W.

Figure 1 : Les transistors Q3 et Q4 sont câblés en collecteurs communs en classe A ;

leurs tensions base émetteur prépolarisent en classe AB l’étage de puissance formé par Q1 et Q2.

Le circuit BUF634 présente une structure analogue

Q3

E1 = +12V

E1 = +12V

RE3

Ve(t)

RE4

Vs(t)

RL

Q1

RE1

E2 = -12V

Q4

RE2

Q2

E2 = -12V





Question 1)Déterminer les valeurs des résistances thermiques des transistors de puissance TIP41

et TIP42 :

a) jonction boîtier RJC

b) boîtier milieu ambiant RCA.

Question 2)On admettra que les transistors Q1 et Q2 dissipent chacun une puissance moyenne P1

= P2 = 1W . Les boîtiers des transistors sont à l'air libre, sans radiateur supplémentaire, avec

une température ambiante TA = +25°C . Déterminer les températures TJ et TC

respectivement de la jonction et du boîtier.

Question 3)Le boîtier de chacun des deux transistors est fixé sur un radiateur de résistance

thermique boîtier radiateur milieu ambiant RCRA = 7°C/W . Déterminer les nouvelles

températures de jonction et du radiateur TR =TC lorsque Q1 et Q2 dissipent chacun unepuissance moyenne de 1W.(on supposera que la température du radiateur est identique à celle

du boîtier).





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Département d’Electronique

Problème Ch.II

Chargeur de batterie d'accumulateurs

La figure 1 représente le schéma de principe d’un chargeur de batterie qui effectue

un redressement simple alternance d’une tension sinusoïdale. La résistance R = rS + r + RS

représente, sous forme localisée, l'ensemble des résistances de la maille secondaire :

- rs est la résistance vue du secondaire du transformateur, en supposant que Ve(t) est

fournie par une source parfaite de tension,

- r représente la résistance interne de la batterie de f.e.m. nominale E = 12V,

-Rs prend en compte la résistance série localisée de la diode D, avec RS = 0,01Ω.

On donne la f.e.m. disponible au secondaire du transformateur :

( )tcosV)t(V eMe ω= avec l’amplitude VeM = 24Vcrête

Figure 1 : Schéma de principe du chargeur de batterie.

Figure 2 : Modèle linéarisé courant tension d’une diode polarisée en direct par un courant continu ID.

Caractéristique courant tension correspondante

1) Quelle doit être la valeur de la résistance totale R du circuit secondaire afin que la valeur

moyenne du courant < I(t) > qui circule dans la diode et dans la batterie soit limitée à 6A, au

début de la charge, c’est à dire lorsque Emini = 12V ?

2) La f.e.m. de la batterie, en fin de charge, EMaxi = 13,2V. Quelle est la valeur moyenne de

l'intensité du courant dans la diode en fin de charge, en prenant la valeur de R déterminée

précédemment ?

3) Déterminer les puissances en début de charge :

- Pbatterie fournie à la batterie

- Pdiode dissipée dans la diode

- PR dissipée dans la résistance

- Pe fournie par le transformateur

Ve(t)

TXBatterieEmini, EMaxi

DR

Secteur220 Veff

1/RS

VD

ID

VD0 0

VD

ID ID

DVD0

RS





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Problème Ch.II

Redressement Filtrage double alternanced’une alimentation secteur

Le circuit représenté par la figure 1 permet d'obtenir un redressement double

alternance et le filtrage de la tension alternative donnée par le secondaire d’un transformateur

abaisseur de tension.

- Le transformateur comprend n1 spires au primaire et n2 spires au secondaire. Le rapport de

transformation :

( )

eff

eff e

primaire

ondairesec

1

2

V220

tV

V

V

20

1

n

n

n ====

La tension disponible au secondaire du transformateur est donc de la forme :

( )tcosV)t(V eMe ω= avec une amplitude VeM et une fréquence f = ω /2π = 50Hz.

- La résistance R = 1k Ω représente « l’utilisateur ».

- Le condensateur C = 100µF réduit l’ondulation par filtrage.

- La résistance r = 10Ω représente les pertes ohmiques du transformateur et la contribution

des résistances série RS des diodes qui sont conductrices.

- On prendra VD0 = 0,65V de tension de seuil des différentes diodes (figure 2)

Figure 1 : Schéma de principe du circuit de redressement double alternance. Le transformateur T isole

galvaniquement et abaisse la tension délivrée par le secteur. Les quatre diodes montées en pont

donnent un redressement des deux alternances de la tension sinusoïdale. Le condensateur C réduit

l’ondulation résiduelle. La résistance R correspond au circuit d’utilisation.

Figure 2 : Caractéristique courant tension d’une diode polarisée en direct par un courant continu ID.

1/RS

VD

ID

VD0 0

Vs(t)Ve(t)secteur

n1

220 Veff

D1

T

C

D4

Rr

n2

D3

D2





Question 1)Evaluer le fonctionnement du dispositif en écrivant le « trajet » des courants :

a) pour l’alternance positive de Ve(t)

b) pour l’alternance négative de Ve(t).

Question 2)En l’absence du condensateur de filtrage (C = 0), déterminer :

a) l’amplitude fictive IM de l’intensité du courant qui traverse la charge R.

b) la forme de la tension Vs(t)

c) l’angle d’ouverture θ des diodes

d) la valeur moyennes de l’intensité du courant < I > qui traverse R

e) la tension moyenne < Vs > aux bornes de R.

Question 3)On place le condensateur de filtrage C = 100µF. On se placera dans le cas où la constante de

temps τ = RC est grande devant la période du signal Ve(t).a) Représenter l’allure de Vs(t) aux bornes de R.

b) Déterminer la valeur moyenne < Vs(t) > et l’ondulation résiduelle ∆Vs (crête à

crête).

c) Calculer la puissance moyenne dissipée par chaque diode.

Question 4)Déterminer dans les pires cas :

a) l’intensité crête du courant maximum de pire cas transitoire IMM que doivent

pouvoir supporter les diodes,

b) la tension maximale inverse que doivent supporter ces mêmes diodes.

Question 5)On intercale entre le circuit de redressement filtrage et la résistance R un régulateur de

tension. On fournit à ce dernier la même intensité (avec mêmes < Vs > et ∆Vs qu’en 3). Ce

régulateur de tension offre un Rapport de Réjection d’Alimentation RRA = 3000 (70dB). En

déduire l’ondulation résiduelle ∆Vs régul en sortie du régulateur.





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Problème Ch. III

Amplificateur accordé classe C

La figure 1 représente un amplificateur classe C à émetteur commun muni d’une charge

résistive. La source alternative Ve(t) telle que Ve(t) = VeM cos ω t fournit un signal alternatif

de forte amplitude à la base du transistor. La source de tension continue EB reconstitue la

composante moyenne de l’intensité du courant base et polarise le transistor en zone bloquée

en imposant <Vbe> = -1V.

Figure 1 : schéma de principe d’un amplificateur classe C à émetteur commun muni d’une charge

résistive. La source de tension EB « prépolarise » la base du transistor pour ajuster l’angle d’ouverture.

On donne :

- L’amplitude de la tension d’excitation VeM = 2 V crète

- La pulsation de la tension d’excitation ω = 2π*1.6 106 rad.s

-1

- β = 100

- La tension de seuil du transistor VT = 0.6 V

- Rg = 1 k Ω - VCC = 20 V

Question 1 :Expliquer le fonctionnement de base d’un amplificateur classe C.

Question 2 :

Déterminer l’angle d’ouverture θ ainsi que l’amplitude fictive du courant d’entrée IbM.

Question 3 :Donner les valeurs des composantes continues ou moyennes <Ib> et <Ic> et fondamentales

Ib1M et Ic1M des courants d’entrée et de sortie.

Question 4 :

Q1

Vs(t)

+Vcc

Rc

Ve(t)

Rg

1k

EB = 1V





Le transistor ne conduisant qu’une fraction de la période, la forme de la tension de sortie n’est

pas sinusoïdale. On remplace donc la résistance de charge RC par un circuit accordé RLC, C

étant un condensateur variable permettant d’ajuster la fréquence propre du circuit RLC sur la

fréquence du signal d’entrée (voir figure 2).

Figure 2 : Circuit haute fréquence fonctionnant en classe C. Le condensateur variable C ajuste la fréquence

propre du circuit bouchon accordé L-R-C sur la fréquence délivrée par le générateur Ve(t). Le condensateur C2

est un court-circuit dynamique dans le domaine des fréquences utilisées.

Donner les valeurs de R,L,C sachant que l’on désire être accordé à la fondamentale du signal

d’entrée, avoir un facteur de qualité Q = 10 et avoir une amplitude de la tension utile de sortie

VsM = 14 V crète.

Question 5 :Calculer la puissance de sortie Ps et le rendement de l’amplificateur.

Ve(t)

Q1

R

C2

C

Vs(t)

L

1

2

+Vcc

EB

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