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
Page 1
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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ETML
Composants de base :
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 ]
Composants de base :
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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ETML
Composants de base :
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).
Page 4
02 RESPOTC_04 / 4 JUILLET 2006
ETML
Composants de base :
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.
02 RESPOTC_04/ 4 JUILLET 2006
Page 5
ETML2.3.3 Quelques modles de potentiomtres
Composants de base :
2
2.3.4
Quelques modles de trimmers
Page 6
02 RESPOTC_04 / 4 JUILLET 2006
ETML2.4 Condensateurs
Composants de base :
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
Composants de base :
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
Composants de base :
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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ETML
Composants de base :
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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ETML
Composants de base :
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
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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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ETML
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
Physique des semi-conducteurs:
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.
Page 2
03 PHDESECO_04 / 4 JUILLET 2006
ETML
Physique des semi-conducteurs:
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
Physique des semi-conducteurs:
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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03 PHDESECO_04 / 4 JUILLET 2006
ETML
Physique des semi-conducteurs:
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.
03 PHDESECO_04/ 4 JUILLET 2006
Page 5
ETMLOn constate dans le silicium :
Physique des semi-conducteurs:
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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03 PHDESECO_04 / 4 JUILLET 2006
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
Page 1
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]
Page 2
04 DIODES_04 / 4 JUILLET 2006
ETML
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.
04 DIODES_04/ 4 JUILLET 2006
Page 3
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.
Page 4
04 DIODES_04 / 4 JUILLET 2006
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
04 DIODES_04/ 4 JUILLET 2006
Page 5
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
Page 6
04 DIODES_04 / 4 JUILLET 2006
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
04 DIODES_04/ 4 JUILLET 2006
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
04 DIODES_04 / 4 JUILLET 2006
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
04 DIODES_04/ 4 JUILLET 2006
Page 9
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
04 DIODES_04 / 4 JUILLET 2006
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
04 DIODES_04 / 4 JUILLET 2006
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=?
04 DIODES_04/ 4 JUILLET 2006
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
04 DIODES_04 / 4 JUILLET 2006
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
04 DIODES_04/ 4 JUILLET 2006
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
04 DIODES_04 / 4 JUILLET 2006
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
04 DIODES_04/ 4 JUILLET 2006
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
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04 DIODES_04 / 4 JUILLET 2006
ETMLd)
La diode :
4
K
K
e)
04 DIODES_04/ 4 JUILLET 2006
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
05 FILTRE_04/ 4 JUILLET 2006
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
05 FILTRE_04 / 4 JUILLET 2006
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
05 FILTRE_04/ 4 JUILLET 2006
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
05 FILTRE_04 / 4 JUILLET 2006
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.
05 FILTRE_04/ 4 JUILLET 2006
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
05 FILTRE_04 / 4 JUILLET 2006
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 []
05 FILTRE_04/ 4 JUILLET 2006
Page 9
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
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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
05 FILTRE_04/ 4 JUILLET 2006
Page 11
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
Les montages diodes:
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
Les montages diodes:
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
06 MONTADIO_04/ 4 JUILLET 2006
Page 3
ETML
Les montages diodes:
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
06 MONTADIO_04 / 4 JUILLET 2006
ETMLUL [V] UL aux bornes de RL
Les montages diodes:
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
06 MONTADIO_04/ 4 JUILLET 2006
Page 5
ETML
Les montages diodes:
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.
Page 6
06 MONTADIO_04 / 4 JUILLET 2006
ETML6.4.2 Montage diodes (pont de Graetz)
Les montages diodes:
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.
06 MONTADIO_04/ 4 JUILLET 2006
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ETML6.4.3 Diagramme des tempsU2eff [V]
Les montages diodes:
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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06 MONTADIO_04 / 4 JUILLET 2006
ETML
Les montages diodes:
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
06 MONTADIO_04/ 4 JUILLET 2006
Page 9
ETML6.5 ComparaisonDemi-onde Nombre de diode Tension de crte de
sortie 1 U2
Les montages diodes:
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
06 MONTADIO_04 / 4 JUILLET 2006
ETML6.6.2 Tension continue obtenueUL
Les montages diodes:
6
t
6.6.3 Explications
6.6.4 Filtrage dun signal pleine-onde
06 MONTADIO_04/ 4 JUILLET 2006
Page 11
ETML6.6.5 Tension continue obtenueUL
Les montages diodes:
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
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06 MONTADIO_04 / 4 JUILLET 2006
ETML6.7 Choix du condensateur
Les montages diodes:
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
06 MONTADIO_04/ 4 JUILLET 2006
Page 13
ETML
Les montages diodes:
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
06 MONTADIO_04 / 4 JUILLET 2006
ETML6.9.2 Explication
Les montages diodes:
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
06 MONTADIO_04/ 4 JUILLET 2006
Page 15
ETML6.10 Exercices
Les montages diodes:
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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06 MONTADIO_04 / 4 JUILLET 2006
ETML
Les montages diodes:
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
06 MONTADIO_04/ 4 JUILLET 2006
Page 17
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
Page 1
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.
Page 2
07 TRANSIS_04 / 4 JUILLET 2006
ETML7.3 Schma lectrique
Le transistor bipolaire:
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
07 TRANSIS_04/ 4 JUILLET 2006
Page 3
ETML
Le transistor bipolaire:
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.
Page 4
07 TRANSIS_04 / 4 JUILLET 2006
ETMLLes mmes proportions de courant sont respectes. 7.5.3
Symbole graphique
Le transistor bipolaire:
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.
07 TRANSIS_04/ 4 JUILLET 2006
Page 5
ETML=98 = 49 2
Le transistor bipolaire:
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
Page 6
07 TRANSIS_04 / 4 JUILLET 2006
ETML
Le transistor bipolaire:
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.
07 TRANSIS_04/ 4 JUILLET 2006
Page 7
ETML
Le transistor bipolaire:
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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07 TRANSIS_04 / 4 JUILLET 2006
ETML7.9 Test statique d'un transistor
Le transistor bipolaire:
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
+ + + -
-
+
-
+
-
+
-
07 TRANSIS_04/ 4 JUILLET 2006
Page 9
ETML7.10 Identification des bornes
Le transistor bipolaire:
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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07 TRANSIS_04 / 4 JUILLET 2006
ETML7.10.2 Les botiers plastiques
Le transistor bipolaire:
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.
07 TRANSIS_04/ 4 JUILLET 2006
Page 11
ETML7.11 Exercices
Le transistor bipolaire:
7
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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07 TRANSIS_04 / 4 JUILLET 2006
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
Polarisation et amplification :
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 :
Polarisation et amplification :
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
Page 3
ETML8.5 L'amplification
Polarisation et amplification :
8
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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08 TRANSPOL_04 / 4 JUILLET 2006
ETMLVCC +12 V
Polarisation et amplification :
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
08 TRANSPOL_04/ 4 JUILLET 2006
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ETML
Polarisation et amplification :
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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08 TRANSPOL_04 / 4 JUILLET 2006
ETML8.8.3 Exercice polarisationVCC
Polarisation et amplification :
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
08 TRANSPOL_04/ 4 JUILLET 2006
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ETML8.8.6 Exercice NPN PNP
Polarisation et amplification :
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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08 TRANSPOL_04 / 4 JUILLET 2006
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 :
9
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