electricite ge neraleh
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COURSD’Electricité généraleTRANSCRIPT
1 1 1
2011
[by ] AZZEDDINE MAAQOUL
COURS D’Electricité générale AZ MA
ELECTRONIQUE N1
Azzeddine .Maaqoul /SE.ESTM
2
Les résistances
Quelques photos des résistances
Résistance classique 1/4 Watts (nous verrons plus
tard a quoi ceci correspond).
Vous pouvez voir ci contre différentes résistances
de puissance.
Les formes sont très variées. Electricité générale
Les résistances sont classées de la plus puissante
a la moins puissante.
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Symboles :
Symbole Européen, le plus utilisé actuellement. (Du moins en France).
ELECTRICITE GENERALE
Symbole Américain, utilisé dans les logiciels d'électronique américains.
Les différents paramètres d'une résistance:
La valeur ohmique: Elle s'exprime en Ohm " " (ou en Kilo Ohm "k " ou en Méga Ohm "M "). Plus
cette valeur est grande, plus la résistance va résister.
(1 M = 1000 k = 1.000.000 )
La puissance: Si on reprend notre analogie avec le barrage: plus le barrage sera solide plus il pourra
accepter d'eau. Ici, la solidité du barrage s'apparente a la puissance de la résistance, et la quantité d'eau au
courant circulant dans la résistance.
On verra plus bas comment se calcule cette puissance.
La tolérance: Les fabricants ne font pas des résistances parfaites, ils mettent donc une tolérance sur la
valeur annoncée.
Par exemple une résistance de 1000 Ohm 5% pourra avoir une valeur comprise entre 0.95*1000=950 Ohm
et 1.05*1000=1050 Ohm.
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La déviation en température: Sur les résistances très précises, il peut y avoir une bague correspondant a la
déviation en température. Elle s'exprime en ppm/°C (parties par million par degré celcius). En fait ce n'est pas
compliqué: Par exemple soit une résistance qui fait 1 Mega Ohm (= 1 million d'Ohm) et qui a une déviation en
température de 50ppm/°C: Lors d'une augmentation d'un degré de la température, la valeur de la résistance va
diminuer de 50 Ohm.
On peut écrire que: Variation(t°) = - t * Deviation_en_temp * R / 1000000
On obtient ainsi l'augmentation ou la diminution de la valeur de R en fonction de la variation de température:
Pour R=1500 Ohm, Deviation_en_temp=200 ppm/°C, t°=-10 (baisse de la température de 10°), on obtient
Variation=+3 Ohm
Notez tout de même que cette information sert très rarement.
Lecture de la valeur, ...:
Il existe plusieurs types de codage de la valeur d'une résistance. Le plus courant étant des bagues de
couleur autour de la résistance. On va donc commencer par celui la. Voici un document de chez RTC. Je
l'ai complété pour qu'il soit le plus complet possible:
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Les condensateurs :
Voici quelques photos de différentes condensateurs :
Ce sont des condensateurs chimiques polarisés.
Plus ils sont gros, plus leur capacité (voir plus bas)
et/ou leur tension est élevée ... et plus ils coûtent
cher!Ces condensateurs ont une valeur généralement
comprise entre 0.1 micro Farad, et 100000 micro
Farads. Vous remarquerez qu'il y a des condensateurs
axiaux (une patte de chaque coté), et des condensateurs
radiaux (les deux pattes du même coté). les
condensateurs radiaux sont maintenant les plus
courants. Remarque: polarisé signifie qu'il y a un sens
pour brancher les condensateurs, et que si vous les
branchez à l'envers, ils peuvent exploser (il se produit
une réaction chimique à l'intérieur: voir plus loin).
Pour des raisons de sécurité, certains gros
condensateurs sont munis de "soupapes de sécurité
Ce sont toujours des condensateurs chimiques,
mais haute qualité; c'est a dire qu'ils ont une très
faible résistance série, qu'ils sont capables de
fournir un courant élevé, qu'ils ont un courant de
fuite très faible, .... (J'ai mis une résistance en bas
a droite pour avoir un ordre d'idée de la taille du
condensateur jaune: 6.5cm*11.5cm)
Condensateurs chimiques non polarisés.
Il y a généralement écrit sur leur boîtier "BP" ou
"NP"
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Condensateur "Gold-cap": ce sont des
condensateurs qui ont une capacité énorme dans une
très petit volume.
En contre partie ils ont une résistance série très
élevée.
Condensateurs chimique a électrolyte solide
Ce type de condensateur plutôt rare est surtout
utilisé pour des applications ou la fiabilité et la
stabilité du condensateur sont indispensables.
les courants de charge et de décharge ne sont
pas limités
Condensateurs non chimiques.Ils sont tous
construits avec deux films métalliques, et un isolant entre
ces films; chacune des patte étant reliée a l'un des film.
L'isolant était du papier, et a été maintenant remplace par
4 sortes de plastiques, d'où les quatre familles.
Ces famille ont des valeur généralement comprises entre
0.1 nano Farad = 0.0001 micro Farad, à 10 micro Farad.
La famille MKT, réalisée avec du polyester
(polyéthylène ou mylar)Ces condensateurs sont les plus
courants de la catégorie; ils servent comme condensateurs
de couplage (liaison) et de découplage.
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Voici la famille des condensateurs MKP, réalisée avec du
polypropylène Leurs principales caractéristiques sont
une très bonne stabilité en fréquence, et leur excellent
comportement en régime impulsionnel.Ils sont entre
autres utilisés pour faire des condensateurs de précision.
(+- 2.5% pour le bleu en bas a droite par exemple,
sachant que l'ordre de grandeur d'une tolérance de
condensateur est 10 à 20%)
Voici la famille MKS, réalisée avec un isolant en
polystyrène (polysulfone métallisé, styroflex, ...) Ils sont
très apprécies pour leur très grande stabilité, même a
haute température (155°C).
Leur comportement en régime impulsionnel est excellent
Voici la dernière famille: MKC, réalisée avec du poly
carbonate. Leurs avantages sont: une grande stabilité et
fiabilité, une très forte résistance d'isolement. notez qu'ils
sont plutôt rares.
Voici un autre type de condensateur: les condensateurs
céramique.
Constitués d'un disque de céramique, sur lequel une patte
est connectée de chaque coté. Ils servent plutôt pour des
condensateurs de fable valeur (d'1 pico Farad = 0.000001
micro Farad, à 10000 pico Farads environ). Ils sont plus
ou moins stables, et ils sont surtout utilisés pour le
découplage.
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Ce sont des condensateurs céramique multicouches. Ils sont
caractérisés par de plus faibles dimensions que les condensateurs
précédents. Les couleurs au dessus des condensateurs servent a
déterminer le type de condensateur (stabilité plus ou moins grande,
ainsi que la tension nominale)
Ce sont des condensateurs céramique tubulaires.
On dirait des résistances, mais ça n'en n'est pas! Comment les
différencier: grâce à la couleur du corps: il est soir rose, soir vert pale.
Ils existent en différent format: de 1/8W à 1/2W.
Ces condensateurs ne sont a priori pas encore disponibles dans le
commerce.
Condensateurs variable. Ils sont basés sur la formule C = cte *
S, ou S est la surface en regard.
En tournant la vis, on fait varier la surface en regard, donc la
capacité
Symboles :
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Il y a beaucoup de symboles pour la même chose. Les Symboles C1 et C3 sont normalisés. Les autres sont
couramment utilisés. Le symbole C1 est utilisé pour les condo non polarisés. Les Autres pour les condos
polarisés.
Les différents paramètres des condensateurs.La capacité: Elle représente la
"force" du condensateur. Plus la capacité sera grande, plus le condensateur pourra s'opposer aux variations
de tension à ses bornes.
L'unité de mesure de la capacité est le Farad, noté F. Dans la pratique, les valeurs des condensateurs sont
plutôt comprises entre 1pF = 10^-12F, et 0.1F
La tension: elle s'exprime en volts continus. Elle correspond à la tension nominale, c'est à dire la
tension que peut supporter le condensateur en permanence à ses bornes. Attention, si vous mettez plus en
permanence, le condensateur peut exploser, et ça peut être dangereux ....
La tolérance: elle correspond aux écarts de valeur qu'il peut y avoir sur la capacité du condensateur.
Pour avoir les deux valeurs extrêmes du condensateur, il suffit de multiplier la valeur indiquée par 1 -
tolérance / 100 et 1 + tolérance / 100.
Par exemple un condensateur de 220µF = 0.00022F avec une tolérance de -10%/+30% aura une valeur
comprise entre 220*1-10/100 = 220*0.9 = 198µF et 220*1+30/100 = 220*1.3 = 286µF
Déviation en température: tout comme les résistances, les condensateurs dévient en température.
Pour les condensateurs à film, la famille MKT à un coefficient de température positif (de l'ordre de
quelques centaines de ppm/°C). C'est à dire que plus la température augmente, plus la capacité du
condensateurs augmente. Pour les autres condensateurs à film, le coefficient est négatif; c'est à dire que
plus la température augmente, plus la valeur du condo diminues.
Courant de fuite: un condensateur chargé, laissé longtemps déconnecté finit par être décharger;
c'est comme s'il y avait une résistance de très forte valeur entre les deux bornes du condo. Par
exemple pour un condo de 4700µF 63V, le courant de fuite est d'environ 2mA
Résistance série: le condensateur n'est pas parfait, c'est à dire qu'il n'est pas capable de fournir ou
de recevoir un courant infini. En effet, tout se passe comme s'il y avait une résistance de très
faible valeur en série avec le condensateur. Par exemple pour le condo de 4700µF 63V, la
résistance série est de l'ordre de 0.04 Ohm
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Description des condensateurs
L'unité de mesure officielle de la valeur des condensateurs est le Farad
1 milli Farad (1mF) = 0.001F = 10^-3F
1 micro Farad (1µF) = 0.001mF = 10^-6F
1 nano Farad (1nF) = 0.001µF = 10^-9F
1 pico Farad (1pF) = 0.001nF = 10^-12F
Dans le commerce, on trouve généralement des condensateurs de 1pF à 1F~ Le micro Farad est l'unité de mesure
généralement utilisée pour la mesure de la valeur des condensateurs chimiques et tantale.
~ Le micro Farad et le nano Farad sont utilisés pour les condensateurs à film (MKT, MKP, ...)
~ Enfin, le pico et le nano Farad pour les condensateurs céramiques.
Les valeurs des condensateurs sont normalisées (même valeurs que pour les résistances).
En général pour les condo chimiques, les valeurs sont des multiples de la série E6, à savoir 10, 15, 22, 33, 47, 68Et
pour les condo non polarisés, les valeurs sont des multiples de la série E12, à savoir 10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47,
56, 68, 82
Concernant les tensions nominales (c'est à dire les tensions que l'on peut appliquer au condo en permanence. On parle
également de tension maximale, dans ce cas c'est la tension la plus élevée qu'on peut appliquer passagèrement aux
bornes du condo. Un ordre de grandeur: tension max = 1.15 * tension nominale), elles sont plus ou moins
normalisées:voici les plus courantes en Volt: 5.5, 6.3, 10, 16, 25, 35, 40, 50, 63, 100, 160, 250, 400, 630, 1000
Généralement l'indication est donnée en volts continus. (remarque: Vcontinu = 1.414Valternatif). Lorsqu'elle est
indiquée en volts alternatif, c'est que le condo est prévu pour fonctionner en alternatif (par exemple un condo classe X
ou X2, ou classe Y). Ce genre de condo est fait pour être branche directement sur le 220V alternatif, il comporte donc
des sécurités: auto cicatrisant, ...Parfois on trouve des indications complémentaires qui correspondent aux
températures de fonctionnement
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La tolérance des condensateurs est indiquée par une lettre entre B et Z. Voici la correspondance avec la
tolérance:
Lettre
B
C
D
F
G
H
J
K
M
R
T
Z
Toléran
ce
corresp
ondante
(C>=10
pF)
0.
1
%
0.2
5
%
0.
5
%
1
%
2
%
2.
5
%
5
%
1
0
%
2
0
%
+
3
0/
-
2
0
%
+6
5/-
20
%?
+8
0/-
20
%
Tolérance
correspon
dante
(C<10pF)
+-
0.1
pF
+-
0.2
5pF
+-
0.5
pF
+-
1p
F
+-
2p
F
S
+50/-
20%
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Codage n°1: le marquage en clair ... ou presque!
Pour les condensateurs chimiques ou tantale, il n'y a normalement pas de problème, la valeur est
écrite en clair, et parfois il y a même l'unité. On trouve également la tension, et parfois la
tolérance, soit indiquée en clair soit indiquée par une lettre (voir tableau ci dessus).
L'unité sert souvent de point décimal. par exemple un condensateur de 6.8µF sera codé 6µ8
Exemples:
- 150µ-M 16V est un condo de 150µF, 16V nominal continu, tolérance 20%
- µ47 63V K est un condo de 0.47µF, 63V nominal continu, tolérance 10%
- .47µ 35V est un condo de 0.47µF, 35V nominal continu, tolérance inconnue. Attention il y a un
point avant 47µ
- 220/25 est un condo de 220µF, 25V. Ca ne peut pas être un condo de 25µF 220V, car 25µF n'est
pas une valeur normalisée. Codage n°2: le code des chiffres C'est le même principe que pour le code couleur des résistances, sauf que les bagues sont représentées par
des chiffres. La valeur est toujours indiquée en pico Farads (pF). La tolérance - quand elle est
indiquée - est codée à l'aide d'une lettre (voir plus haut).
Les deux premiers chiffres sont les chiffres significatifs, quand au troisième, il détermine le nombre de
zéros.
Exemples:
~ 561 = 56 + un "0" = 560pF
~ 225K = 22 + cinq "0" = 2200000 = 2.2µF le K signifie que la tolérance est 10%
~ 683J100 est un condo de 68000pF = 68nF, tolérance 5%, 100Volts
~ 479 est un condo de 4.7pF ATTENTION: le "9" signifie qu'il faut diviser par 10, et non pas mettre 9
zéros. (c'est la norme, mais je n'ai jamais rencontré de tels condos, une telle valeur sera plutôt notée 4.7)
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Tension maximale/Tension efficace
Umax / Ueff = 1,41,
ou, plus exactement, Umax / Ueff = 2
Donc, retenez que la valeur de tension que l'on donne est pratiquement toujours la
valeur efficace.
Pour obtenir la valeur maximale, celle que l'on a sur la prise de courant, multipliez
Ueff par 2
Qu'est-ce qu'un multimètre ?
Un multimètre simple regroupe généralement un
Voltmètre (pour mesurer une tension), un Ampèremètre
(pour mesurer une intensité) et un Ohmmètre (pour
mesurer une résistance)
On trouvera souvent d'autres fonctions qui permettent de
vérifier le bon, ou mauvais, état de certains composants.
On peut voir l'écran en haut, le sélecteur au centre et,
autour du sélecteur, les différentes fonctions telles que
voltmètre, ampèremètre et ohmmètres. Dans chaque
fonction (celles ci étant entourées d'une couleur: vert, noir
ou rouge), on trouve des points avec des valeurs : par
exemple, dans la fonction ohmmètre (repérée par le
symbole , on trouve les valeurs 200, 2000 20K, 200K et
2000 K. Ces valeurs sont appelées calibres. les valeurs
sont données dans l'unité de la mesure : ici, l'unité est
l'ohm, donc, 200=200 ohms, 2000=2000 ohms etc.
Lorsqu'une valeur est suivie d'un K, celui ci signifie
"Kilo" (mille fois plus grand). par exemple, 200K=200
kilo-ohms (=200000 ohms).
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1. Rappels
1.1 Les théorèmes
1.1.1 Superposition
le courant circulant dans un élément d’un circuit électrique est égal à la somme des courants qui seraient produits
dans cet élément par chacune des sources de tension agissant seule, les autres sources étant remplacées par des courts-
circuits.
Exemple ; soit le circuit suivant :
+ -
R1
UR1
R2
UR2+-
Is
Es2+
+
Es1
Figure 1.1 Théorème de superposition
où ES1 = 20V, R1 = 1k, R2 = 2k et ES2 = 10V.
Alors, si l’on mesure IS , UR1 et UR2 tel que représentés sur la Figure 1 on obtient:
1) - en fonction de ES1 , on remplace ES2 par un court-circuit
RT = R1 + R2 = 3 k
IS = ES / RT = 6,667 mA
UR1 = IS * R1 = 6,667V
UR2 = IS * R2 = 13,334V
2) - en fonction de ES2 , on remplace ES1 par un court-circuit
RT = R1 + R2 = 3 k
IS = eS / RT = 3,333 mA
UR1 = IS * R1 = 3,333V
UR2 = IS * R2 = 6,667V
Solution finale ) IS = 6,667mA + 3,333mA = 10mA.
UR1 = 6,667V + 3,333V = 10V.
UR2 = 13,334V + 6,667V = 20V.
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Exemple; soit le circuit suivant:
+ -
R1
UR1
R2
UR2+-
Is
es
Es
+
Figure 1-1 Théorème de superposition
où ES = 20V, R1 = 1k, R2 = 2k et eS = 10Veff. 0o à fréquence de 5 kHz.
Alors, si l’on mesure IS , UR1 et UR2 tel que représentés sur la Figure 1-1 on obtient:
1) - en fonction de ES , on remplace eS par un court-circuit
RT = R1 + R2 = 3 k
IS = ES / RT = 6,667 mA
UR1 = IS * R1 = 6,667V
UR2 = IS * R2 = 13,334V
2) - en fonction de eS , on remplace ES par un court-circuit
RT = R1 + R2 = 3 k
iS = eS / RT = 3,333 mAeff. 0o à fréquence de 5 kHz.
uR1 = iS * R1 = 3,333Veff. 0o à fréquence de 5 kHz.
uR2 = iS * R2 = 6,667Veff. 0o à fréquence de 5 kHz.
Solution finale )
iS = iS + IS = 3,333 mAeff. 0o à fréquence de 5 kHz avec une composante
continue de 6,667 mA
uR1 = iS * R1 = 3,333Veff. 0o à fréquence de 5 kHz avec une composante continue
de 6,667V.
uR2 = iS * R2 = 6,667Veff. 0o à fréquence de 5 kHz avec une composante continue
de 13,334V.
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1.1.2 Thévenin
Tout circuit linéaire composé d’une ou de plusieurs sources et de plusieurs résistances peut être remplacé par
une source de tension unique (Eth) et une résistance unique (Rth). Ce théorème nous permet donc d’isoler une partie
précise d’un réseau.
Exemple : Soit le circuit suivant :
R3- +
R2
-
+
R4
-
+
R5R1+ -
Es=15V
a
b
R6
-
+
Figure 1-2 Méthode de Thévenin
où R1 = 1k, R2 = 3k, R3 = 2k, R4 = 3k, R5 = 500,
Dans cet exemple, l’élément à isoler est la résistance R6 . Nous avons à calculer les paramètres du circuit
équivalent de Thévenin pour la partie encadrée. La méthode consiste, premièrement, à calculer Rth en
remplaçant toutes les sources de tension par des courts-circuits et en calculant la résistance totale vue entre
les bornes a et b sans tenir compte de R6. Deuxièmement, on doit calculer Eth mesurable entre les bornes a et
b en remplaçant R6 par un circuit ouvert. Le résultat donne le circuit équivalent de Thévenin suivant :
Rth
+
Eth
Figure 1-3 Circuit équivalent de Thévenin
où Rth = R5 + (1 / ((1 / R2) + (1 / R4) +(1 / (R1+R3))) = 1,5 k
et Eth = (15V / 4,5k) * 1,5 k = 5V
a
b
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2. La Diode 2.1 Les semi-conducteurs.
Un semi-conducteur, comme son nom l’indique, n'est pas assez conducteur pour être utilisé comme
conducteur et ni assez isolant pour être utilisé comme isolant. C'est pour cela qu'on le nomme semi-
conducteur.
Le matériel semi-conducteur le plus répandu est le silicium. On le retrouve sous la forme de cristaux. Dans
un solide, les atomes se rejoignent pour former des cristaux. Les liens qui les retiennent sont dits convalents:
le même électron est partagé par deux noyaux. Un atome de silicium a, sur sa dernière couche quatre
électrons, c’est-à-dire qu’il est tétravalent: il serait bien content d'en avoir huit. C'est pourquoi il s'associe
avec quatre autres atomes à l'aide des liens covalents. La Figure 2-1 schématise l’explication.
Figure 2-1: Cristal de silicium et liens covalents.
Le silicium comme tel est très résistant. À l'état pur, il n'est guère utile. On modifie la résistance des semi-
conducteurs en introduisant des impuretés convenables dans leur structure cristalline. On dit que le semi-
conducteur est dopé. Ceci est réalisé en introduisant des atomes ayant des électrons en plus, ou en moins, sur
leur dernière couche. Par exemple, l'arsenic, le phosphore et l’antimoine en ont cinq, donc un de trop. Le
bore, le gallium et l’indium en ont trois; il en manque un. Les trois premiers sont pentavalents et les trois
derniers, trivalents. Le niveau habituel de dopage va d’un atome d’impureté par 106 à 10
8 atomes de
silicium.
L'addition d'un élément pentavalent crée un surplus d'électron. Les liens étant tous complétés, les électrons
en trop peuvent se promener d'un atome à l'autre. Ce type de dopage produit un matériel semi-conducteur de
type N.
L'addition d'un élément trivalent crée un manque d'électrons qu'on appelle trous. Un électron manquant dans
la structure cristalline laisse une place libre où un électron peut venir se placer en provenant du lien voisin,
laissant alors un trou où il était. Le courant électrique est appelé un courant de trous, les trous semblant se
déplacer. Ce type de dopage produit un matériel de type P.
Les électrons libres dans un matériel de type N et les trous dans un matériel de type P sont appelés les
porteurs majoritaires du courant électrique.
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électron en
surplus trou
élément pentavalent élément trivalent
Type N Type P
Figure 2-2: Types de matériau semiconducteur
2.2 La jonction PN.
Que se passe-t-il lorsqu'on réunit un matériel P avec un N? On obtient une jonction PN.
Figure 2-3
À la Figure 2-3 de gauche, on vient juste de juxtaposer les deux matériaux l’un à côté de l'autre. À la Figure
2-3 de droite, par effet de diffusion, les électrons du côté N traversent du côté P et remplissent les trous. Les
atomes du côté P, ayant besoin d'électrons pour compléter leurs liens covalents les prennent. Ces atomes,
étant évidemment près de la jonction, deviennent des ions négatifs à cause de l'électron de trop dans leur
structure. De l'autre côté, c'est-à-dire du côté N, les atomes ayant un électron de trop pour compléter leurs
liaisons covalentes perdent cet électron et deviennent des ions positifs. On a alors autour de la jonction
l’apparition de ce qu'on appelle un dipôle. Ce processus va se continuer jusqu'à ce que le champ électrique
créé par le dipôle soit assez puissant pour empêcher d'autres électrons de traverser la jonction; on aura alors
l'équilibre. Cet équilibre se fait jusqu’à environ 0,7V.
Ainsi, les électrons qui étaient des porteurs majoritaires du côté N vont vers le côté P en éliminant ainsi aussi
les trous du côté P. On a alors une zone dépourvue de porteurs majoritaires. On appelle cette zone la zone de
déplétion. Le champ électrique provenant du dipôle crée une différence de potentiel appelée barrière de
potentiel. Cette barrière de potentiel vaut 0,7 volts pour le silicium.
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Zone de déplétion
ou
de transition
Figure 2-4: Zone de déplétion autour de la jonction PN
2.3 La diode.
2.3.1 La diode et ses fonctions:
La diode en protection
La diode en redressement
La diode et la tension
La diode protectrice :
On utilise les diodes pour obliger le courant d'aller dans un sens, et pour lui interdire d'aller dans l'autre. On peut donc
les utiliser comme protection, pour éviter d'abîmer un appareil électrique en se trompant de sens en mettant les piles.
On place alors la diode dans le sens ou doit passer le courant, juste avant la borne "-" ou juste après la borne "+" :
ces deux façons protègent aussi
efficacement l'appareil en cas
d'inversement des bornes "+" et "-".
Figure 2.5
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La diode en redressement :
La diode peut être utilisé pour redresser du courant alternatif. On obtient alors le même type de courant que celui
sortant d'une dynamo.
Les pont de diodes existent en boîtiers tout fait. Ces
boîtiers ont 4 broches : 2 pour brancher l'alternatif, qui
sont repérer par les signes "~". Il n'y a pas à se soucier de
la polarité: peu importe le branchement. En revanche, Les
deux autres broche sont repérés :il y a un "+" et un "-": il
ne faut pas se tromper !.
En 1., vous avez le branchement des 4 diodes dans un
pont de diodes. En branchant de cette façon 4 diodes,
vous réalisez un pont de diode. Le 1. est également la
représentation schématique du pont de diode. Vous devez
le représenter comme cela (sans les flèches, biens sûr) !.
Figure 2. 6
La diode et la tension :
Pour fonctionner, la diode doit avoir entre ses bornes une tension minimale de 0,6 volt (ou 0,2 pour les germanium).
De ce fait, on perd cette tension... Ainsi, si l'on met deux diodes au silicium en série, on perdra 2 x 0,6 = 1,2 volts !
Concrètement, si la tension était de 12 volts à l'origine, on aura plus que 10,8V ! C'est un phénomène qui se produit
dans le pont de diode: il y a 4 diodes, mais seules 2 fonctionnent en même temps, donc, on perds 1,2 volts. (et même
1,4 car parfois, la tension de seuil est de 0,7 volts) Presque la tension d'une pile de 1,5 volts ! 1,2 volts, c'est aussi la
tension présente aux borne d'un accu LR6 (type "1,5 volts"). Finalement, on perds pas mal !
Dans un pont diviseur de tension, on peut aussi remplacer R2 par une diode au silicium... Dans un cas précis: celui
de la mesure de température... En effet, la tension de seuil d'une diode au silicium varie très précisément de 2
millivolts pas °C. Et donc, la tension recueillie au point A aussi... C'est donc un excellant capteur de température !
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21
Utilisation d'une diode
Il, existe plusieurs sortes de diodes, mais elle sont souvent semblable: un cylindre avec deux patte et sur lequel il y à
un anneau ou un point. Cette anneau représente la cathode de la diode. C'est lui qui représente la pointe de la flèche:
Figure 2.7
Lorsque vous branchez une diode, vous devez donc branchez le "+" du côté opposer à l'anneau et le "-" du coté de
l'anneau.
NE JAMAIS BRANCHER UNE DIODE DIRECTEMENT AUX BORNE D'UN
GÉNÉRATEUR, car, placer dans son sens passant, le "bon sens", la diode se comporte quasiment comme un fil
électrique et n'oppose presque pas de résistance. Cela créé donc un court-circuit.
Figure 2. 8
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22
Comme pour les résistances, il existes différents types de diodes:
o Les diodes de redressement
o Les pont de diodes
o Les LED ou DEL
o Les photodiodes
o Les diodes Zener
o Les diodes Varicap
Les diodes de redressements
Ce sont les diodes les plus connues, celles que l'on à vue plus haut.
Les ponts de diodes
C'est un assemblage particulier entre quatre diodes
Les L.E.D., ou D.E.L.
Les LED (Light Emitting Diode - Diode à émission de lumière-), ou DEL, en français (Diodes Electroluminescentes),
sont des diodes qui émettent de la lumière lorsque le courant les traversent dans leurs sens passants.
Voici à droite des DELs, de couleurs, grossies (le
diamètre est généralement de 3 ou 5 millimètres.
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23
Les Photodiodes
Une photodiodes laissent passer le courant en présence de lumière.
Les photodiodes sont brancher DANS LE SENS INVERSE par rapport à une diode normale.
La cathode, représenter par la barre sur le schéma, l'anneau ou le point, ou l'ergot sur le composant, se branche du
côté "+".
Les photodiodes peuvent avoir 2 aspects:
- l'aspect d'une diode normale
- - l'aspect d'une DEL
- Les photodiodes sont sensible, selon le type, soit à la lumière visible (lumière solaire ou artificiel), soit à la
lumière infrarouge ou encore aux deux (attention dans ce cas: si vous faites des barrières infrarouge, la
lumière du soleil (qui de toute façon contient des infrarouges -IR- ne doit pas influencer le montage).
- Dans le cas des photodiodes sensible à la lumière infrarouge, il existe également des diodes émettrice de
rayon infrarouge. tout comme il existe des diodes émettant de la lumière visible (les DELs) !
- Dans le cas des diodes émettant un rayon infrarouge, le schéma est le même que ci-dessus, mais les flèches
sont tournées vers l'extérieur.
Les diodes Zener
Les diodes Zener sont des stabilisateurs de courant continue
.
Par exemple, si vous voulez alimenter un appareil en 9 Volts, et surtout pas plus que cette tension, vous mettrez une
diodes Zener en parallèle de votre appareil.
Comme il n'existe pas de diodes Zener de 9 V, vous allez utiliser la valeur la plus proche, c'est à dire, 9,1 V.
Remarquez la résistance. Cette résistance est INDISPENSABLE. la diode Zener risque de "griller" sans cette
résistance. Remarquer également la position de la diode : Cette fois, c'est bien la CATHODE qui est relié au "plus", c'est à
dire, le côté de l'anneau. C'est ce côté que vous devez brancher au "+". Ce type de diode peut être utiliser, par exemple, pour éviter les pics de tension...
Les diodes Varicap
ce type de diodes devrait plutôt ce mettre au rang des condensateur ! Mais bon, puisqu'elles portent le nom de
"diode"...
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24
Les diodes varicaps sont de diodes à capacité variable.
Explication: Cette diode se comporte comme un condensateur dont la capacité varie suivant la tension. Comme c'est
une diode, elle est polarisée. Et cette fois, contrairement aux diodes Zener, elle est polarisée normalement: La
cathode (l'anneau) se branche au "-" et l'anode au "+".
Ce type de diodes peut, par exemple, être utilisées pour réaliser des modulations de fréquence (MF ou F.M.).
Au fait, ne vous préoccupez pas du C.O.... Pour le moment, sachez simplement qu'il permet de générer une onde
radio, dont la fréquence dépend, entre autre, de la capacité du condensateur (d'ou l'utilité de la varicap pour changer la
fréquence)
Les codes de marquage sur les diodes: Il existe deux codes de marquage normalisés: le code J.E.D.E.C. et le code Pro-electron. Ils sont a peu prés respectés,
même si certains fabricants adoptent leur propre code.
o Le code JEDEC est un code couleur qui ressemble a celui des résistances. La diode possede de 2 à
4 bagues. le nom de la diode se détermine de la façon suivante:
~ Le préfixe est généralement 1N
~ Le suffixe se détermine avec la couleur des bagues:
~ Il existe des diodes a 2, 3 ou 4 bagues. Toutes les bagues sont significatives. Par
exemple une diode qui a les bagues suivantes: bleu, rouge, a la référence 1N62.
Dans l'exemple ci contre, la diode a 4 bagues qui sont jaune, marron, jaune, gris. La
diode est donc une 1N4148
~ Si la première bague de la diode est noire, alors il ne faut pas en tenir compte, elle
sert juste a repérer la cathode de la diode.
~ On lit la référence de la diode de la cathode vers l'anode.
Pour repérer la cathode: soit la première bague est plus grosse, soit toutes les bagues
sont regroupées de son coté.
o ~ Alors vous me direz a quoi ça sert d'avoir la référence? Eh bien après vous pouvez faire une
recherche chez les constructeurs (voir la rubrique datasheets), pour avoir les caractéristiques de la
diode.
o Assez souvent, la référence est directement écrite sur la diode.
Par exemple, il y a écrit 1N4148 sur la diode. Cette diode est une diode de signal, c'est a dire qu'elle
sert a transmettre des informations, elle est relativement rapide, mais elle ne peut pas être utilisée
pour redresser une tension (voir la rubrique exercice pour le redresseur de tension), car elle ne laisse
pas passer assez de courant (200 mA)
Pour redresser une tension, on utilise par exemple des 1N4001, ce sont des diodes qui laissent
passer 1A au maximum.
o Le code Pro-electron est cette fois ci représenté par des lettres et des chiffres
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Première lettre A: germanium B: silicium C: arséniure de gallium R: matériaux composés
Deuxième lettre A: diode de signal
B: diode a
variation de
capacité
(diode
varicap)
E:
diode
tunnel
H: diode pour
mesure de
champs
magnétiques
Q: diode
électroluminescente
X: diode multiplicatrice
(varactor ou diode de
recouvrement)
Y: diode de
redressement
Z: diode de
reference
ou de
regulation
de tension
(diode
zener)
Troisième lettre T: ? (Diode zener) V: ? (Diode zener) W: diode d'écrêtage X: ? (diode zener)
o Voila, la troisième lettre y est rarement, et elle ne sert pas a grand chose.
Voici quelques exemples de diodes courantes:
~ BY255 : diode de redressement 3A
~ BZX79C 5V1 : diode zener 0.5W, 5.1V (notez que la tension est écrite en clair)
~ BZT03C 36V: diode zener 3W, 36V
Compléments divers
o Il faut savoir que tout n'est pas aussi simple que ce j'ai dit précédemment. En effet, le courant
circulant dans la diode est régi par cette formule qui est valable tout le temps:
I = Is(exp(V/Vt)-1). Avec Vt=k.T/q
Avec
I: courant circulant dans la diode en A
Is: courant de fuite en A
V: tension aux bornes de la diode en V
k: constante de Boltzmann
T: température en Kelvin
q: charge de l'électron
Vt=0.025V a 300°Kelvin
Voila, cette formule ne sert pas a grand chose, mais on ne sait jamais!
Remarquez tout de même dans cette formule que la température intervient. Cette propriété des
diodes est utilisée pour faire des sondes de température. (il se vend des diodes "sonde de
température")
o Autre remarque en haute fréquence, la diode devient capacitive, c'est à dire qu'elle se comporte
comme si on mettait un condensateur à ses bornes. C'est cette propriété qui est utilisée pour les
diodes varicap (voir avant).
o Notez que les photos des boîtiers (voir au début) ne peuvent pas renseigner sur le type de diode. On
ne peut par exemple pas dire en regardant le boîtier que telle ou telle diode est une diode zener. Il
faut pour cela regarder la référence inscrite sur la diode.
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2.3.2 Schéma et construction.
Une diode a comme symbole celui de la Figure 2-99. La flèche indique le sens que peut prendre le courant
conventionnel en direct. La Figure 2-9 représente également la construction d'une diode. Elle est la
juxtaposition de matériaux semi-conducteurs de types N et P auxquels on a raccordé des broches. Une diode
ne laisse passer le courant que dans un seul sens.
I
A K
A: anode
B: cathode
P NA K
Figure 2-9
2.3.3 Polarisation en direct.
I conventionnel
Figure 2-10: Polarisation en direct.
Tout le matériel est conducteur, autant du côté P que du côté N, sauf dans la zone de déplétion où il n'y a pas
de porteurs majoritaires. Le champ électrique causé par la pile va s'opposer à celui du dipôle et, par surcroît,
l'annuler.
Les électrons entrent du côté N et pénètrent ensuite dans la zone de déplétion comme électrons libres en
annulant les ions positifs. Ceux qui quittent, du côté P, laissent des trous qui atteignent la zone de déplétion
annulant les ions négatifs. À la jonction, les électrons du côté N tombent dans les trous du côté P et
atteignent la sortie du bloc P par courant de trous. La zone de déplétion n'existe donc plus et toute la diode
est conductrice.
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2.3.4 Polarisation en inverse
P NARRET
Figure 2-11
Le champ électrique causé par la source s'additionne à celui du dipôle. La zone de déplétion s'épaissit jusqu'à
ce que son potentiel soit égal à celui de la source. La zone de déplétion n'étant pas conductrice, la diode est
bloquée, c'est-à-dire plus un courant ne la traverse.
2.3.5 Caractéristiques des diodes.
En direct.
Pour qu'une diode conduise, une tension minimale d'environ 0,7 volts est requise afin de vaincre la barrière
de potentiel de la jonction. C'est pourquoi on mesure toujours 0.7 volt aux bornes d'une diode en direct. De
plus, une diode a une résistance interne appelée résistance extrinsèque ou en anglais bulk.
Une diode possède aussi des caractéristiques maximales à ne pas dépasser, tels le courant et la tension
maximale en direct. Ce sont les cas où la diode s’échauffe et brûle.
En inverse.
En inverse, une diode se comporte comme un circuit ouvert. Cependant rien n'étant parfait, un léger courant
de fuite est créé à la surface du cristal. La surface du cristal est constituée de liens covalents non-complétés
et celle-ci se comporte comme un matériel de type P en ayant une petite conductivité.
Aussi, comme en direct, un point maximal ne doit pas être franchi: c'est le point d'avalanche. Une diode ne
peut endurer qu'une certaine valeur de voltage en inverse. Si ce voltage est atteint, le courant augmente
rapidement et la diode se détruit.
Courbes ID VS UD.
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IFmax
UFmax0,7V
URmax
ID
UD
en directen inverse
Figure 2-12: Courbe ID (UD).
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2.4 Types de diodes.
2.4.1 Diodes redresseuses.
Un circuit redresseur transforme une tension alternative en une tension pulsée C.C.
RL
D1
Gen
Figure 2-13: Circuit redresseur de base
eGén
eRL
0,7V
UD
-es max = PIV
e max.
en direct en inverse
e max.- VD
D1, dans la Figure 2-13, ne laissera
passer que le courant causé par
l'alternance positive .
Lors de l'alternance positive, la diode
se trouvant polarisée en direct laisse
passer un courant dans la charge (RL).
La valeur de la tension maximale aux
bornes de RL sera la tension crête du
générateur moins la barrière de
potentiel de 0,7 V de la jonction de la
diode. Tout le temps que dure
l'alternance positive du générateur, la
diode est en direct et chute 0,7 V. Lors
de l'alternance négative, la diode se
trouve en inverse, bloque et agit
comme un circuit ouvert récoltant toute
la tension du générateur CA à ses
bornes et aucun courant ne traverse RL.
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2.4.2 Diode électroluminescente (Del).
Symbole.
A K
forme
fréquente
A
K
Figure 2-14: Diode électroluminescente.
Le semiconducteur utilisé pour la fabrication d’une Del est l’arséniure de gallium ou le phosphore de
gallium. Elle fonctionne à basse tension et à une faible consommation. Près de la jonction, lorsque les
électrons tombent dans les trous, c'est-à-dire descendent de niveau d'énergie, ils émettent de l'énergie, une
partie en chaleur, une partie en lumière. Dans le cas de la Del, c'est le deuxième cas qui est exploité.
On retrouve la Del dans les applications dites optoélectroniques comme par exemple un témoin lumineux ou
un affichage numérique.
Caractéristiques.
La Del est utilisée en direct:
I Del
U Del
2V
-3V
en inverse en direct
Figure 2-15: Courbe typique d'une Del.
Calcul du branchement: R = ?
Idel = IR = 20mA
UR = 9V - 2V = 7V
R = 7V / 20mA = 350 (360 standard)
R
9V
Figure 2-16
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2.5 EXERCICES
# 1 - Que vaut approximativement la tension aux bornes d'une diode au silicium en direct?
# 2 - Une tension de 100 V est appliquée en inverse sur une diode. Un courant de 10 mA traverse la diode. Que
vaut sa résistance de coulage en inverse (RR)?
# 3 - I = ?
1k
I
10V
# 4 - I = ?
R1
10k I
20V
R3
10k
R2
10k
# 5 - I = ?
10k
I
20V
10k
I=?
# 6 - Que vaut R?
R
50V Ud=2V
20mA
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# 7 -
a) URL crête = ?
b) IRL crête = ?
c) UR crête de la diode = ?
d) Dessinez les formes d'onde présentes aux bornes de D1 et RL.
RL
1k
D1
eGen.
10Vrms
eGén
URL
UD1
t
t
t
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3. Le Redressement 3.1 Introduction
Un circuit redresseur transforme une tension alternative en une tension CC pulsée. Il existe différents types
de redressement, les uns ayant des avantages par rapport aux autres.
3.2 Redressement demi-onde
+
es
-
+ UD -
+
RL
-
Figure 3-1: Redressement demi-onde
Lorsque la tension alternative es est positive, elle oblige la diode à conduire. Le demi-cycle positif de es se
retrouve donc aux bornes de la résistance. Lorsque le potentiel es est négatif, la diode est alors polarisée en
inverse et se comporte comme un circuit ouvert. Aucun courant ne parcourt le circuit et le potentiel aux
bornes de la résistance demeure nul. On trouve dans ce circuit les formes d’onde de la Figure 3-2. La
fréquence aux bornes de la résistance est de 50 Hz.
es
is
es crête - UD
URL
0,7V
UD
-eS crête = PIV
50Hz
20 ms
Figure 3-2
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34
3.3 Redressement pleine onde avec un transformateur à prise médiane.
+
eS1
eS2
-
+ UD1 -
+
URL
-
+ UD2 -
iS1
iS2
Figure 3-3: Redressement pleine onde avec prise médiane
Un transformateur ayant une prise médiane, lorsqu’elle est branchée à commun, possède deux sorties
inversées l’une par rapport à l'autre. D1 conduit durant l'alternance positive de eS1 tandis que D2 le fait à
son tour durant celle de eS2, 180° plus tard. On retrouve ainsi, aux bornes de RL, l’alternance positive de
eS1 et eS2 l’une à la suite de l'autre, produisant ce qu'on appelle du pleine onde. La fréquence du signal aux
bornes de RL est 100 Hz. Examinez les formes d’onde de la Figure 3-4.
es1
is1
es2
is2
50Hz
50Hz
es1 es2
es crête -0,7V
URL
10 ms
20 ms
100Hz
UD1
UD2
0,7V
0,7V
es1 crête +
es2 crête - 0,7V
es1 crête +
es2 crête - 0,7V
Figure 3-4
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35
3.4 Redressement pleine onde réalisé avec à un pont.
+
URL
-
es
D1
D4D2
D3
Figure 3-5
+
es
-
D1
D4
D3
RL+-
-
es
+
D2
+-RL
Figure 3-6
Afin de réaliser cette tâche, ce circuit possède quatre diodes et un transformateur qui n'a pas besoin d'être
pourvu d'une prise médiane. (Figure 3-5).
À la Figure 3-6, D1 et D2 conduisent ensemble lorsque es est positive et on retrouve aux bornes de RL
l'alternance positive de es moins la chute de tension de D1 et D2. On note les polarités aux bornes de RL.
Lorsque es est négative, D3 et D4 conduisent et on retrouve aux bornes de RL l'alternance négative de es.
On note de nouveau les polarités aux bornes de RL. On voit que les polarités sont les mêmes lors des
alternances positives et négatives de es. Le courant circule donc toujours dans le même sens, peu importe les
polarités de es. La Figure 3-7 montre les tensions présentes dans le circuit. La fréquence de l'onde aux
bornes de RL est 100 Hz.
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A
B
50Hz
es
is
A B
100Hz
es crête - 1.4V
URL
UD1,UD2
UD3,UD4
0,7V
0,7V
es crête - 0,7V
es crête - 0,7V
Figure 3-7
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3.5 Redressement pleine onde bipolaire
Ceci est une répétition du redressement pleine onde avec un transformateur à prise médiane. On utilise, en
parallèle, deux circuits de ce genre: pour les alternances positives de es1 et es2 et pour les alternances
négatives es1 et es2. Le circuit alimente deux charges: avec une tension pulsée positive et avec une tension
négative pulsée par rapport à commun. (Figure 3-8).
+
es1
es2
-
D1
+
URL1
-D2
D3
D4
+
URL2
-
Figure 3-8
eS2
iS2
eS1
iS1
es crête - 0,7V
es crête - 0,7V
URL1
URL2
50Hz
50Hz
es1 es2 100Hz
es2 es1 100Hz
Figure 3-9
ELECTRONIQUE N1
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Voici la manière courante de dessiner un redressement pleine onde bipolaire.
eS
1
eS
2
+
URL1
-
+
URL2
-
D1D3
D4D2
Figure 3-10
3.6 EXERCICES
# 1 - Quelle est la tension maximale aux bornes de la charge?
36V220V
50Hz20R
# 2 - Au #1, quelle est la fréquence du signal aux bornes de la charge?
# 3 - Au #1, quel est le PIV aux bornes de la diode?
# 4 - Quelle est la tension maximale aux bornes de la charge?
12,6V ct
220V
50Hz
RL
# 5 - Au #4, quelle est la fréquence du signal aux bornes de la charge?
# 6 - Au #4, quel est le PIV aux bornes des diodes?
# 7 - Quelle est la tension maximale aux bornes de la charge?
RL
36V
D1
D4D2
D3
220V
50Hz
# 8 - Aux #7, quelle est la fréquence aux bornes de la charge?
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# 9 - Lorsque es1 est positif, est-ce es1 ou es2 qui fournit le courant à RL2?
+
es1
es2
-
D1
+
RL1
-D2
D3
D4
+
RL2
-
Dessinez les formes d’onde aux bornes de la 100 et de la 50
220V
50Hz
100R
50R
50Vct
60V
ip
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4. Le Filtrage
4.1 Principe
Le circuit de filtrage le plus répandu est le celui utilisant un condensateur. Ce dernier est branché à la suite
du redressement. Grâce au condensateur, on retrouve une tension CC fixe à la sortie du bloc d'alimentation.
Le circuit est représenté à la Figure 4-1.
+
es
-
D+
U charge
-C
I moy.
Figure 4-1 Circuit de base
1 2 4 3
es crête-0,7V
Figure 4-2 Forme d'onde au condensateur et à la charge
En 1: Lors du premier cycle, le condensateur se charge jusqu'à es crête - 0,7 V et accumule ainsi de l'énergie.
En 2: Le condensateur se décharge ensuite dans la charge dépensant ainsi d'une manière étalée l'énergie accumulée
auparavant.
En 3: Le condensateur se recharge en récupérant l'énergie dépensée en 2.
En 4: Lire 2, lire 3, lire 2, lire 3 ....
4.2 Ronflement
La variation de tension aux bornes du condensateur causée par la charge et la décharge est appelée
ronflement. La tension de sortie sera la tension moyenne. La fréquence du ronflement dépendra du type de
redressement utilisé. On exprime la valeur de la tension de ronflement en volts crête-à-crête (er).
Figure 4-3
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Usortie CC = U moy. = (es crête - UD) - er / 2
où:
es crête = la tension crête au secondaire du transformateur.
UD = la tension chutée par la ou les diodes du redressement.
er = tension de ronflement crête-à-crête
Indice de ronflement: (Ripple Index).
= er / U max.
% de ronflement = x 100%
4.3 Forme d'onde aux bornes de la diode redresseuse
+
es
-
ID
+
U charge
-C
+
Uc
-
+ UD -
Figure 4-4
La forme de la tension aux bornes de la diode se trouve à être, entre la cathode et l'anode, une source CC à
peu près fixe (Uc) en série avec un signal alternatif (es).
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42
es
U moy
U moy
Uc et
U charge
0,7V
UD
PIV Temps
durant lequel
le condensateur se recharge
ID
Figure 4-5
Lors du redressement et du filtrage, le
condensateur se déchargeant
graduellement après avoir été chargé
à es crête - 0,7V, se fait recharger au
travers la diode à l'instant où la
tension es du côté de l'anode est plus
haute que Uc du côté de la
cathode.Une impulsion de courant
traverse la diode le temps de charger
le condensateur et durant cette
impulsion, la diode chute son 0,7 V.
La diode demeure en inverse le reste
du temps. Lorsque es est à sa valeur
crête en inverse, on atteint le PIV de
la diode (Peak Inverse Voltage). C'est
à ce moment que Uc et es
additionnées créent la plus haute
tension que la diode aura à endurer en
inverse. Lors d’une réparation, il
faudra choisir la diode redresseuse en
fonction de cette situation. On estime,
dans ce circuit simple, que le PIV est
égal à environ 2 x es crête.
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43
4.4 Calcul du condensateur
Afin d'évaluer la capacité du condensateur à installer, il faut connaître les besoins du circuit qui sont:
a) La tension et le courant désirés à la charge (U moy. et I moy.).
b) La quantité minimale de ronflement (er).
c) Le type de redressement utilisé (pleine-onde ou demi-onde).
On se rappelle que:
C = Q / V
Le courant par définition est : I = Q / t => Q = I x t
Si on remplace dans l'équation du condensateur:
C = I x t / V
On voit ainsi que le courant circulant dans un condensateur dépend de combien la tension peut varier entre
deux recharges. Si la tension aux bornes d'un condensateur de 1 Farad varie de 1 Volt en 1 seconde, il y
circule alors un courant de 1 Ampère. En effet, pour qu'un courant circule dans un condensateur, il faut faire
varier la tension à ses bornes. On peut écrire l'équation ainsi:
I = C x V / t
La Figure 4-6 montre l'approximation qui nous permettra de calculer d'une façon simple la valeur du
condensateur. On y voit que:
a) Le temps où le condensateur est rechargé est négligé;
b) Le courant demandé par la charge est considéré constant (ce qui est vrai dans les appareils pratiques).
t
er
Pente supposée
droite
U
t
approximation
Figure 4-6
En reprenant la formule vue précédemment:
ELECTRONIQUE N1
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44
C = I x t / V
où:
I = I moyen (courant qui décharge le condensateur)
t = La période entre deux recharges (1/f ronfl.).
V = La variation de tension aux bornes du condensateur (er).
On trouve ainsi cette formule simple:
C = I moy / ( er x f ronfl. )
où :
f ronfl. = 50 Hz en demi-onde.
= 100 Hz en pleine-onde.
N.B.: Si la source d’alimentation alternative est autre que le secteur (50 Hz), il faudra considérer la
fréquence utilisée. Par exemple, dans les véhicules de transport, les fréquences de 400 Hz et de 1
kHz sont très répandues.
Les approximations nous permettent d'éviter des calculs trigonométriques fastidieux. Les résultats obtenus
sont très raisonnables. À 5% de ronflement, le condensateur calculé a une capacité 5% plus haute qu’en
utilisant le calcul précis. De toute façon sur le marché, la tolérance des condensateurs électrolytiques est de -
20% + 80%.
# 1 - Exemple
+
6,3V
-
+
R
-C
200mA
= 0,05
Figure 4-7
Questions:
a) Que vaut UR crête?
b) Que vaut er?
c) Que vaut UR moyen?
d) Quelle est la valeur du condensateur?
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45
Solution:
UR crête = 6.3V x 1.414 - 0,7 V = 8,2 V
er = 8,2V x 0,05 = 0,41V crête-à-crête
UR moyen = 8,2V - 0,41V / 2 = 8 V
C = Imoy / ( Er x f ronfl. ) (où f ronfl. = 50 Hz)
C = 200 mA / ( 0,41 x 50 Hz ) = 9 756 µF (10 000µF)
# 2 - Exemple
R
10V
220V
ca
50 Hz
ipis
C
200mA = 0,1
Figure 4-8
Questions:
a) URmax. = ?
b) er = ?
c) UR moyen = ?
d) C = ?
e) ip = ?
f) is = ?
Solutions:
UR max. = 10 Vrms x 1,414 - 1,4 V = 12,7 V
er = 12,7 V x 0,1 = 1,27 V crête-à-crête
UR moy. = 12,7 - 1,27 / 2 = 12,07 V
C = 200 mA / ( 1.27V x 100Hz ) = 1 575 µF
P entrant = P sortant (Transformateur)
Pentrant = P sortant = 200 mA x 12 V (à la charge) = 2,4 W
ip = 2,4 W / 220V = 10,9 mA
is = 2,4W / 10V = 240 mA
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46
Uth
Rth
I surge
Figure 4-9
Il est évident, à cause de la résistance totale du système, que le condensateur ne se chargera pas
complètement lors du premier cycle et la forme du courant circulant dans celui-ci aura la forme suivante:
Uc, UR
IDiode
Mise en fonction
I surge
Umax
Figure 4-10
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47
4.5 Protection:
4.5.1 Par fusible après le bloc:
Bloc
d'alimentation
Charge
alimentéeSecteurSortie
C.C.
Figure 4-11
On peut utiliser un fusible à fonte rapide (Fast Blow), pour une protection simple et rapide du circuit et/ou
du bloc d'alimentation. Un fusible à fonte lente (Slow Blow) fait le même travail que précédemment mais ce
type de fusible acceptera des surcharges transitoires. Le facteur de sécurité recommandé est de 1,25. La
valeur du courant maximal du fusible doit être environ 1,25 x le courant demandé normalement par la
charge. Par exemple, si un circuit est fait pour opérer à l ampère, un fusible de 1,25 ampères sera choisi.
4.5.2 Par fusible au primaire du transformateur.
Secteur
Bloc
d'alimentation
et charge
Figure 4-12
Cela permet de protéger le transformateur et le circuit. Si la charge devenait trop importante. Le pont de
redresseur pourrait en souffrir. La surcharge sera stoppée par le fusible au primaire. Il est cependant
conseiller d'utiliser un fusible à fonte lente à cause de la surintensité («I surge») lors de la mise en fonction
de l'appareil.
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48
5. Les régulateurs monolithiques 5.1 Introduction
Les divers organes et fonctions qui composent les appareils électroniques modernes sont de plus en plus
modulaires. L'alimentation de ces appareils a fait l'objet de beaucoup d'efforts, de miniaturisation et de
simplification. Nous avons vu dans les modules précédents comment transformer une source d'énergie
alternative en une source d'énergie positive. Cependant, une telle alimentation est à la merci des fluctuations
de la tension du secteur et des soubresauts de l'appareil lui-même. Il est donc important d'obtenir une tension
stable à la sortie du bloc d'alimentation, indépendante des variations de son environnement.
Suite au redressement et au filtrage, on installera donc un régulateur de tension. Auparavant, cette fonction
électronique était plutôt complexe à réaliser et demandait de l'espace. Aujourd'hui, de simples circuits
intégrés à trois broches, et de dimensions très réduites, ont pris la relève.
Plusieurs circuits intégrés à trois broches (entrée, point commun et sortie) sont disponibles sur le marché
dans une grande gamme de tensions et de courants de sortie. Ils offrent une façon simple et peu dispendieuse
de construire une source d'alimentation stable. Leurs principaux avantages sont les suivants.
- Ils sont facile d'usage.
- Ils ne demandent que peu de composants externes.
- Ils sont fiables.
- Ils possèdent une protection thermique interne.
- Ils possèdent une protection contre les courts-circuits.
Ils ont aussi des désavantages. Ils ne peuvent pas tous être peaufinés et leur précision peut varier jusqu'à 5%
par rapport à la valeur nominale. Les valeurs de tension de sortie disponibles sont limitées. La limite en
courant de ces régulateurs n'est pas ajustable; il faut donc considérer les carractéristiques de ceux-ci. Si on
essayait d'augmenter leur capacité de courant maximum de sortie, cela demanderait un réseau externe
encombrant.
Le régulateur de tension positive à trois broches de la famille 7800 est un exemple de régulateur
monolithique. La Figure 5-1 montre l'application standard d'un tel régulateur.
78XX
0,33uF
céramique
1uF
tantale
CsCeU entrée
(en provenance
du redressement
et du filtrage)
U sortie
+ U différentielle -
Figure 5-1
-Ce élimine l'effet inductif des longs conducteurs.
-Cs améliore la réponse en régime transitoire.
Ces régulateurs sont préréglés à 5, 6, 8, 12, 18 ou 24 volts. Par exemple, un 7805 est un régulateur à 5 volts
et un 7824 est un régulateur à 24 volts.
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49
5.2 Détermination de la tension d'entrée
Ces régulateurs, jusqu'à un certain point, se protégent eux-même. Ils contiennent une protection électronique
considérant la température, la tension différentielle (U entrée - U sortie) et le courant débité à la sortie (voir
la Figure 5-2). Avec l'ajout d'un radiateur thermique approprié, ces circuits intégrés peuvent fournir des
courants au-delà de l'ampère.
1
2
3
6 12 18 24 30
U entrée - U sortie : Tension différentielle entrée-sortie (volts)
Courant de sortie maximal (ampères)
Tj = 25°C
Tj = 125°C
Figure 5-2
La Figure 5-2 est valable seulement pour la série 7800 (positifs) et 7900 (négatifs). Remarquez que les
courbes débutent à 3 volts. Ceci veut dire que la tension différentielle minimale devant être présente est 3
volts; c'est le minimum nécessaire afin d'assurer le fonctionnement du régulateur intégré. Par exemple, un
régulateur 7805, possédant une tension U sortie de 5 volts, doit avoir comme tension minimale d'entrée pour
fonctionner, 5 volts + 3 volts, c’est-à-dire 8 volts. Le maximum est fixé à 35 volts pour tous les régulateurs
de cette famille, sauf le 7824 et 7924 pour qui le maximum est 40 volts.
Sur la Figure 5-2, l'inscription Tj signifie la température de jonction, c’est-à-dire la température à l'interne de
la puce atteinte lors de son fonctionnement. Vous remarquez aussi deux courbes: une à Tj = 25°C et l'autre à
Tj = 125°C. Il est utopique de dire qu'il est possible de conserver la température interne de la puce à 25°C.
On pourrait peut être remplir son bain de glace et boulonner le régulateur à celui-ci. Mais enfin!
La courbe à considérer sérieusement est celle pour laquelle la température indiquée est 125°C. C'est la
température interne qu'il ne faut pas dépasser. Ceci implique, si le régulateur a dissipé une certaine
puissance, l'installation d'un radiateur thermique.
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50
# 1 - Exemple
Question
En utilisant la courbe où Tj vaut 125°C, trouvez la tension d'entrée maximale applicable à un régulateur
7805 pour obtenir un courant disponnible de 750mA.
Solution
À la Figure 5-2, 750mA sur la courbe Tj = 125°C coïncide avec 21V.
Uentrée = 5V + 21V = 26V.
# 2 - Exemple
Question
En utilisant la courbe où Tj vaut 125°C, trouver la tension d'entrée maximale applicable à un régulateur 7812
pour obtenir un courant disponnible de 1,5 A.
Solution
A la Figure 5-2, 1,5A sur la courbe Tj = 125°C coïncide avec 9V.
Uentrée = 12V + 9V = 21V.
En examinant la Figure 5-2, on peut aussi remarquer une région de fonctionnement idéale. Cette région se
situe entre 6V et 9V; on y obtient le maximum en disponibilité de courant. Il faut aussi laisser de la place au
ronflement de la tension d'entrée; ce qui justifie la marge inférieure de 6V. Aussi il est sage de garder la
tension différentielle le plus bas possible de façon à limiter la dissipation de puissance du régulateur.
5.3 Détermination du radiateur a installer
Ces régulateurs se présentent installés dans plusieurs sortes de boîtiers différents. Les deux principaux
boîtiers dans lesquels on les retrouve sont le TO-220 et le TO-3. Ces boîtiers sont pourvus d'une fixation en
métal permettant l'installation d'un radiateur thermique.
La dimension physique du radiateur à employer est déterminée par la quantité de chaleur que le régulateur
aura à dégager; il faut donc connaître la puissance à dissiper.
Pd = U différentielle x I sortie
On doit ensuite consulter les caractéristiques du régulateur employé afin de trouver sa résistance thermique
jc. Celle-ci est exprimée en °C/W. Dans un boîtier TO-220, elle vaut 5°C/W et dans un boîtier TO-3, elle
vaut 5,5°C/W.
Si, par exemple, un régulateur installé dans un boîtier TO-220 avait à dissiper 10 watts, quelle serait la
résistance thermique du radiateur à installer?
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51
On fait premièrement le dessin suivant
Circuit
thermique
10W
jc
5°C/W
sa
?°C/W
Tj max = 125°C
Ta = 25°C
T = 100°C
Figure 5-3
Ta = température ambiante
jc = résistance thermique de la puce au boîtier
sa = (le radiateur) = résistance thermique du boîtier à l'ambiant
L'augmentation de température maximale permissible dans ce cas est:
T = 125°C - 25°C = 100°C.
La résistance thermique totale maximum sera:
ja = 100°C / 10W = 10°C/W
La résistance thermique du radiateur doit donc être au maximum:
sa = 10°C/W - 5°C/W = 5°C/W
Il faut ensuite choisir dans un catalogue (Thermaloy par exemple) le radiateur approprié.
# 1 - Exemple
Question
Installez un régulateur (boîtier TO-220) ayant une tension de sortie de 12V et fournissant un courant de
500mA.
4W
jc
5°C/W
sa
?°C/W
Tj max = 125°C
Ta = 25°C
T = 100°C
Figure 5-4
U entrée = 20V jc = 5°C/W
Ta = 25°C Tj max = 125°C
a) U différentielle = ?
b) Pd = ?
c) sa du radiateur = ?
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Solution
U différentielle = U entrée - U sortie = 20V - 12V = 8V
Pd = 8V x 500mA = 4W
T = 125°C - 25°C = 100°C
ja = 100°C / 4W = 25°C/W
sa = 25°C/W - 5°C/W = 20°C/W
Il est à remarquer que plus sa est grand, plus le radiateur est petit. Un radiateur de faible dimension a une
grande résistance thermique et, à l'inverse, un radiateur de grande dimension a une résistance thermique
faible.
5.4 Exemple de conception complète d'une alimentation régulée
Données
U sortie = 5V I sortie = 750mA
U différentielle = 9V er = 3,2V c.à c., 100Hz (redressement avec pont)
Ta = 25°C Boîtier = TO-220 (7805)
a) Pd = ?
b) sa du radiateur
c) C filtrage
d) U entrée max
e) es du transformateur à utiliser
f) Puissance transformable du transformateur en VA
Solution
Pd = 9V x 750mA = 6,75W
sa = 100°C / 6,75W - 5°C/W = 9,8°C/W
6,75W
jc
5°C/W
sa
9,8°C/W
Tj max = 125°C
Ta = 25°C
T = 100°C
Figure 5-5
C filtrage = 750mA / (3,2Vc.à c. x 100Hz) = 2344µF
Umax = U entrée + er / 2 = 5V + 9V + 3,2V / 2 = 15,6V
es du transformateur = (15,6V + 1,4V) / 1,414 = 12V rms
Puissance du transformateur = P total = U entrée x I sortie =
(9V + 5V) x 750mA = 10,5VA
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53
7805
TO-220
0,33uF 1uF
220V
50Hz
12V
10,5VA
2344uF
9,8°C/W
Figure 5-6
5.5 Régulateur monolithique ajustable
Il existe une solution au désavantage des régulateur fixes à trois broches; une famille de régulateurs
ajustables existe. Le LM317, un régulateur positif et le LM337, un régulateur négatif, ont cette propriété.
Parfois, le besoin d’une tension de sortie non-standard se fait sentir. Ou peut-être, désirez-vous une tension
de sortie ajustée plus précisément que celle d’un régulateur fixe? Jusqu’à maintenant vous avez été choyés
par les régulateurs fixes à trois broches. Et bien, voici le régulateur ajustable à trois broches!
Le LM317 et le LM337 sont capables d’un courant de sortie de l’ordre de 1,5 ampères et d’une gamme de
tensions s’étendant de 1,25 volt à 37 volts. Ces régulateurs sont exeptionnellement faciles à utiliser. Ils n’ont
besoin que de l’ajout de deux résistances externes. Comme dans le cas des régulateurs fixes, ils contiennent
une protection en courant, en tension et une protection thermique les rendant durs à cuire.
On les retrouve aussi dans les mèmes boîtiers que les régulateurs fixes: le TO-220 et le TO-3. La Figure 5-7
montre l’application standard.
LM317
0,1uF
céramique10uF
+
1,25V
-
Cs
U sortieR1
240R
R2
CeU entrée
(en provenance
du redressement
et filtrage)
+ U différentielle -
Figure 5-7
U sortie = 1,25V x (1 + R2 / R1)
La tension de sortie est ajustée par R2. Lorsque R2 est au minimum (0), la tension de sortie est à son
minimum, c’est-à-dire 1,25 volt. Le choix de R1 (240 vient du fait que ce régulateur exige un courant
minimum de sortie de 5mA pour fonctionner. R1 = 1,25V / 5 ma = 250
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54
La résistance thermique de cette puce est 2,3°C/W pour le boîtier TO-3 (LM317K) et 5°C/W pour le boîtier
TO-220 (LM317T).
La Figure 5-8 présente la courbe du courant maximum de sortie en fonction de la tension différentielle (Ue -
Us) du régulateur. On peut remarquer que la zone idéale se trouve autour de 10 volts.
1
2
3
20 30 40
U entrée - U sortie : Tension différentielle entrée-sortie (volts)
Courant de sortie maximal (ampères)
Tj = 125°C
10
Figure 5-8
Le manufacturier propose des améliorations. Le circuit standard (Figure 5-7) fonctionne très bien.
Cependant, l’addition d’un condensateur de 10µF améliore le ronflement présent à la sortie de 15 dB
(facteur de 5 en tension). Il faut cependant ne pas oublier d’inclure une diode de sécurité afin de décharger
ce condensateur. La Figure 5-9 montre ces améliorations.
LM317
0,1uF 10uF
Cs
U sortieR1
240R
R2
Ce
U entrée
(en provenance
du redressement
et filtrage)
+ U di fférentiel le -
10uF
Figure 5-9
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# 1 - Exemple
Question
a) Trouvez à la Figure 5-9 la valeur de la résistance R2 de sorte que la tension de sortie soit 10 volts.
b) Si U entrée vaut 20 volts, trouvez le courant de sortie maximum selon la Figure 5-8.
Solution
VR1 = 1,25V
IR1 = IR2 = 1,25V / 240 = 5,21mA
UR2 = 10V - 1,25V = 8,75V
R2 = 8,75V / 5,21mA = 1,68k
U différentielle = 20V - 10V = 10V
I sortie max = 1,8A (Figure 5-8)
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56
# 2 - Exemple
Ta = 25°C
LM317
TO-3
0,1uF 10uF
+
1,25V
-
Cs
U sortie = 15VR1
240R
R2
Ce
U entrée = 22V
+ U différentielle -
1Asa
Figure 5-10
Question
a) R2 = ?
b) U différentielle = ?
c) Pd = ?
d) sa = ?
Solution
UR2 = 15V - 1,25V = 13,75V
IR2 = IR1 = 1,25V / 240 = 5,21mA
R2 = 13,75V / 5,21mA = 2,64k
U différentielle = U entrée - U sortie = 22V = 15V = 7V
Pd = 7V x 1A = 7W
jc = 2,3°C/W (TO-3)
ja = 100°C / 7W = 14,3°C/W
sa = 14,3°C/W - 2,3°C/W = 12°C/W
7W
jc
2,3°C/W
sa
12°C/W
Tj max = 125°C
Ta = 25°C
T = 100°C
Figure 5-11
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# 3 - Exemple
0,1uF 10uF+
1,25V
-
Cs
U sortie = -18V
R1
240R
R2Ce
U entée = -22V
+ U di fférentiel le -
LM337
T a = 25°C
1A
Figure 5-12
Question
a) R2 = ?
Solution
IR2 = IR1 = 1,25V / 240 = 5,21mA
UR2 = 18V - 1,25V = 16,75V
R2 = 16,75V / 5,21mA = 3,22k
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5.6 Exercices
# 1 - Quelle est la région idéale de fonctionnement d'un régulateur intégré de type 7800 ou 7900? (Figure 5-2)
# 2 - À la Figure 5-2, quelle est la tension différentielle maximale applicable à un 7805 de sorte qu'il puisse
fournir un courant de 1 ampère avec une température interne de 125°C?
# 3 - Suite au #2, quelle puissance aura à dissiper le régulateur?
# 4 - Un régulateur de type 7812 (TO-220) est appelé à fournir un courant de 1 ampère avec une tension
d'entrée moyenne de 20V. Trouvez la résistance du radiateur à installer de sorte que la température interne
du régulateur ne dépasse 125°C (Ta = 25°C). Dessinez le circuit thermique.
# 5 - Examinez le circuit suivant:
7905
TO-220
Ue
1uF
220V
50Hz
9V
10VA
C filtrage
sa750mA
Ta = 25°Cer = 2V c.à c.
a) Ue moyen = ?
b) Pd = ?
c) sa = ?
d) C filtrage = ?
e) Est-ce que le transformateur est suffisamment puissant?
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59
# 6 - Faites la conception d'une alimentation régulée selon les données suivantes; faites le diagramme
schématique.
U sortie = 12V positif
I sortie = 800mA
U différentielle = 7V
er = 3Vc.à c., 100Hz, redressement en pont
Ta = 25°C
Le boîtier du régulateur est un TO-220.
a) Pd = ?
b) sa = ?
c) C filtrage = ?
d) Ue max = ?
e) es du transformateur à utiliser = ?
f) Puissance transformable du transformateur = ?
# 7 -
LM317
(TO-220)
0,1uF 10uF
Cs
U sortie
R1
120R
R2
Ce
U entrée = 21V
+ U di fférentielle -
10uF1k03
1Asa
a) U sortie = ?
b) Pd = ?
c) sa = ?
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60
6. L’amplificateur opérationnel
6.1 Définitions
L'amplification est une opération consistant à accroître l'amplitude à l'aide d'un amplificateur.
Un amplificateur est un appareil destiné à augmenter l'amplitude d'un phénomène (oscillations électriques en
particulier) qui fournit une puissance utile de sortie supérieure à la puissance d'entrée.
6.2 L'amplificateur opérationnel
L'amplificateur opérationnel est un type de circuit intégré caractérisé par son haut gain et par sa versatilité. À
cause de cette versatilité et de sa facilité d'application, l'amplificateur opérationnel est devenu l'un des
circuits intégrés les plus répandus. Les amplificateurs opérationnels sont conçus pour être utilisés avec des
composants externes afin de pourvoir produire les fonctions de transfert désirées.
L'amplificateur opérationnel idéal fournit une tension de sortie analogique qui est proportionnelle à la
différence de tension entre ses deux bornes d'entrée (Figure 6-1). La tension de sortie aura la même polarité
que celle de l'entrée non-inverseuse (+) par rapport à la tension de l'entrée inverseuse (-). Quand le potentiel
présent à l'entrée non-inverseuse sera plus positif que celui de l'entrée inverseuse, la tension à la sortie aura
une polarité positive et quand le potentiel présent à l'entrée non-inverseuse sera plus négatif que celui de
l'entrée inverseuse, la tension à la sortie aura une polarité négative.
Entrée non-inverseuse
Entrée inverseuse
U différentielle
Ucc-
Ucc+
Figure 6-1 Symbole de l'amplificateur opérationnel.
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61
6.3 L'amplificateur opérationnel idéal
L'amplificateur opérationnel, sans circuit externe de contre-réaction de la sortie vers l'entrée inverseuse, est
décrit comme étant en boucle ouverte. En boucle ouverte, les caractéristiques de l'amplificateur opérationnel
idéal sont les suivantes.
-Gain différentiel =
-Impédance d'entrée =
-L'impédance de sortie = 0
-Bande passante = Hz
aussi
-Gain en mode commun = 0
-La tension de décalage = 0 Volt
Il y a littéralement des centaines de types d'amplificateurs opérationnels disponibles, offrant des niveaux de
performance variés. Un amplificateur qui peut servir à toutes les sauces est le A-741C (ou le 741, pour faire
raccourci). Comme beaucoup d’amplificateurs opérationnels, il est une petite puce électronique insérée dans
un boîtier appelé mini-DIP (Dual In Line package) ayant l’allure de la Figure 6-2. Il est peu dispendieux et il
est facile d’usage.
3/8"
1/4"
Figure 6-2 Circuit intégré mini-DIP
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62
6.4 Brochage d'un circuit intégré
1
2
3
4
8
7
6
5
Ajus tement du
décalage
Entrée
inverseuse
Entrée non-
inverseuse
Ucc-Ajus tement du
décalage
Usortie
Ucc+
Non branchée(Vue de dessus)
Figure 6-3 Brochage du 741.
À l'intérieur du 741, se trouve une puce de silicium contenant des transistors, des résistances et un
condensateur. Son brochage vous est montré à la Figure 6-3. Le point dans le coin supérieur gauche ou
encore la coche en demi-lune, identifient l'extrémité à partir de laquelle il faut compter le numéro des
broches. Comme pour la plupart des circuits intégrés, on compte en allant dans le sens contraire des aiguilles
d'une montre.
6.5 La contre-réaction négative
6.5.1 Règles de simplification.
On utilise deux règles simples pour faire l'analyse du comportement des amplificateurs opérationnels.
Celles-ci découlent des caractéristiques idéales donnée à la section 6.3.
Premièrement, le gain est tellement élevé ( idéalement) que seule une fraction de millivolt entre les bornes
d'entrée est nécessaire afin de faire bouger la sortie sur toute l'étendue possible, de Ucc+ à Ucc-. Ceci nous
amène à ignorer cette petite tension. On dira donc...
Règle #1: La sortie va tout tenter pour réduire la tension différentielle d'entrée à zéro.
Deuxièmement, les amplificateurs opérationnels n’exigent que des courants très faibles à leurs entrées. Ces
courants sont dans l'ordre du nanoampère et même du picoampère. On dira donc...
Règle #2: Les entrées ne demandent aucun courant.
ELECTRONIQUE N1
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63
6.5.2 Principe de la contre-réaction négative
La contre-réaction négative telle qu'illustrée à Figure 6-4 est la comparaison continuelle de U entrée avec U
sortie; c’est-à-dire que, via un diviseur de tension on ramène à l'entrée inverseuse une portion du signal
électrique présent à la sortie de l'amplificateur opérationnel (U sortie) pour la comparer avec la tension
d'entrée (U entrée) présente sur l'entrée non-inverseuse.
Diviseur
de tension
Rf
Rin
Uentrée Usortie
Figure 6-4 Amplificateur de base non-inverseur.
6.6 Montage non-inverseur
Un montage non-inverseur pourvoit une tension de sortie en phase avec la tension d'entrée. La Figure 6-4
illustre cette idée.
Dans ce circuit, le signal est appliqué à l'entrée non-inverseuse (+) de l'amplificateur. Une boucle de contre-
réaction, formée par un diviseur de tension (Rf et Rin), ramène une portion du signal de sortie (U sortie) sur
l'entrée inverseuse (-).
Rf, 1k
Rin, 1k
Uentrée = 1VUsortie = 2V
- 1V +
+
1V
-
1V
0V
1mA
Av = Gain =Usortie
Uentrée
2V
1V= = 2
Figure 6-5
La Figure 6-5 illustre comment on calcule le gain d'un amplificateur en boucle fermée. Le gain en tension
(Av) est le rapport entre U sortie et U entrée.
Gain = U sortie
U entrée
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64
Dans l'exemple à la Figure 6-5, U entrée = 1V. On dit que U différentielle = 0V (règle I). La tension aux
bornes de Rin vaut donc 1V et son courant, 1 mA. Ce courant provient de la sortie de l'amplificateur
opérationnel. Il fait chuter une tension de 1V à Rf qui vaut 1k. La sortie de l'amplificateur a donc dû
s'ajuster à 2V (U sortie = URin + URf = 1V + 1V = 2V) de sorte que le diviseur de tension amène aux
bornes de Rin une tension égale à la tension
U entrée.
Donc...
Un diviseur de tension par 2 produit un gain de 2. Un diviseur de tension par 10 produit un gain de 10. Un
diviseur de tension par 5 produit un gain de ________.
6.6.1 Impédance d'entrée (z entrée) d'un montage non-inverseur
À une section antérieure, on a vu que la résistance d'entrée d'un amplificateur opérationnel idéal est l'infini.
On peut ainsi ajuster aisément l'impédance d'entrée grâce à une résistance qu'on place entre l'entrée non-
inverseuse et le point commun (R1 à la Figure 6-6). À la Figure 6-6, l'impédance d'entrée vaut 10k.
Uentrée
=
U sortie x Rin
Rf + Rin (diviseur de tension)
U sortie
U entrée =
Rf + Rin
Rin
Av = Rf
Rin + 1 (gain en tension)
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65
# 1 - Exemple
Questions
a) Av = ?
b) U sortie = ?
c) URin = ?
d) URf = ?
e) Trouvez URin à l'aide du
diviseur de tension.
Solution
Av = (Rf / Rin) + 1 = (10k / 2k)
+1 = 6
U sortie = Av x U entrée = 6 x 2V = 12V
URin = U entrée = 2V
URf = U sortie - URin = 12V - 2V = 10V
URin = 12V x 2k / (10k + 2k) = 2V
# 2 - Exemple
Question
a) Av = ?
b) U sortie = ?
c) Z entrée = ?
Solution
Av = (50k / 20k) + 1 = 3.5
U sortie = 3.5 x 2V = 7V
Z entrée = R1 = 20k
Rf, 10k
Rin, 2k
Uentrée = 2VUsortie
R1
10k(Zin)
Figure 6-6
Rf, 50k
Rin, 20k
Uentrée = 2VUsortie
R1
20k
Figure 6-7
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66
# 3 - Exemple
Montage non-inverseur avec boucle de contre-réaction complexe.
Question
a) UR1 & IR1 = ?
b) UR2 = ?
c) UR3 & IR3 = ?
d) IR4 & UR4 = ?
e) U sortie = ?
f) Av = ?
g) Z entrée = ?
Solution
Il faut, dans le cas de la Figure
6-8, utiliser simplement les règles de Kirchhoff en courant et en tension.
R2, 10k
R1
10k
Uentrée = 1VUsortie = 5V
20k
R3
10k
R4
10k
+
3V
-
+
2V
-
+
1V
-
- 1V +100uA
100uA
300uA
200uA
Figure 6-9
UR1 = U entrée = 1V
IR1 = IR2 = 100A
UR2 = 100A x 10k = 1V
UR3 = UR1+UR2 = 1V + 1V = 2V
IR3 = 2V / 10k = 200A
IR4 = IR2 + IR3 = 100A + 200A = 300A
UR4 = 300A x 10k = 3V
U sortie = UR3 + UR4 = 2V + 3V = 5V
Av = U sortie / U entrée = 5V / 1V = 5
Z entrée = 20k
R2, 10k
R1
10k
Uentrée = 1VUsortie
20k
R3
10k
R4
10k
Figure 6-8
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6.7 Montage inverseur
6.7.1 Principe
Examinons la Figure 6-10. La
différence qu'on remarque immédiatement par rapport à la Figure 6-4 est qu'on a interchangé U entrée avec le point
commun de Rin. L'entrée de ce montage
(U entrée) se trouve maintenant via la résistance Rin.
Notez encore (selon la règle I) que le potentiel à l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel est
toujours maintenu à 0V. On l'appelle souvent un point commun virtuel. Un semblant de point commun quoi!
On retrouve ainsi la tension U entrée aux bornes de Rin et le courant de Rin passent au travers Rf (règle II).
De là, on peut calculer U sortie.
Rin, 10k Rf, 20k
0V
0V
+ 2V -+ 1V -
Uentrée = 1V Usortie = -2V
100uA
Av = -Rf
Rin= -
20k
10k= -2
Zin = Rin = 10k
Figure 6-11Montage inverseur
Examinez cette fois-ci la Figure 6-11. D'un côté de Rin, on retrouve U entrée à 1 volt et de l'autre côté, 0 volt
(point commun virtuel). Cela crée aux bornes de Rin une différence de potentiel selon les polarités
indiquées. Le courant dans Rin se doit d'être 1V / 10k = 100A. À cause de la règle II, tout ce courant
traverse Rf créant ainsi à ses bornes 100 x 20k = 2 volts dans les polarités indiquées. La tension à la
borne de sortie de l'amplificateur opérationnel se trouve selon Kirchhoff à être -2 volts (0V - 2V = -2V). La
tension de sortie a donc dû s'ajuster à -2 volts pour ajuster la tension différentielle d'entrée de l'amplificateur
à 0 volt. On trouve le gain ainsi:
Av = -Rf
Rin (montage inverseur)
Dans le cas de la Figure 6-11:
Av = -20k / 10k = -2
6.7.2 Impédance d'entrée
On voit que le courant d'entrée est déterminé par la valeur de Rin. On peut alors dire que la valeur de
l'impédance d'entrée d'un montage inverseur est Rin.
.
Uentrée
Rin Rf
0V
Usortie
0V
Figure 6-10 Montage inverseur.
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Z entrée = Rin (montage inverseur)
# 1 - Exemple
Question
a) Av = ?
b) U sortie = ?
c) Z entrée = ?
d) URin = ?
e) URf = ?
Solution
Av = -Rf / Rin = -30k / 10k = -3
U sortie = Av x U entrée = -3 x 2V = -6V
Z entrée = Rin = 10k
URin = 2V
IRin = 2V / 10k = 200A = IRf
URf = 200A x 30k = 6V
6.7.3 Montage inverseur avec circuit complexe
Question
a) UR1 & IR1 = ?
b) UR2 & IR2 = ?
c) Potentiel au point A
= ?
d) UR3 & IR3 = ?
e) UR4 & UR4 = ?
f) U sortie = ?
2VRin Rf
Usortie30k10k
Figure 6-12.
R1, 10k R2, 10k
0V
+ 1V -+ 1V -
Uentrée = 1V
Usortie = -3V
100uA
R3, 10k
- 1V +
R4
10k
100uA100uA
-1V
200uA
+
2V
-
Figure 6-13
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Solution
UR1 = Uin = 1V
IR1 = 1V / 10k = 100A
IR2 = IR1 = 100A
UR2 = 10k x 100A = 1V
Par Kirchhoff : -1V
UR3 = 1V
IR3 = 1V / 10k = 100A
IR4 = IR2 + IR3 = 100A + 100A = 200A
UR4 = 200A x 10k = 2V
U sortie = UA - UR4 = -1V - 2V = -3V
6.8 Montage suiveur
UentréeUsortie
Figure 6-14 Montage suiveur.
Le suiveur de tension a un gain unitaire; il est non-inverseur et il n'a pas de diviseur de tension dans sa
boucle de contre-réaction. La valeur de la tension à la sortie est exactement la même que celle de l'entrée. Le
montage suiveur a une très grande impédance d'entrée qui est égale à la résistance intrinsèque de
l'amplificateur opérationnel.
Le rôle de ce circuit est de servir d'interface entre une source de signal et la charge. Son impédance d'entrée
est grande et son impédance de sortie, faible.
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6.9 Le montage mélangeur
U1
U2
U3
R1
R2
R3
Rf
Usortie
Figure 6-15 Montage mélangeur (sommateur).
Si plusieurs d'entrée sont branchées à un montage inverseur comme à la Figure 6-15, le résultat est un
amplificateur qui fait la somme des signaux présents dans les différentes entrées.
Le courant circulant dans Rf se trouve à être la somme de IR1, IR2 et IR3 (Loi de Kirchhoff en courant). Le
courant IRf crée ainsi URf, qui est U sortie.
Vout = -Rf ( V1
R1
V2
R2
V3
R3 ) + +
# 1 - Exemple
1V
2V
3V
R1, 10k
R2, 10k
R3, 10k
Rf, 10k
Usortie = -6V
+ 6V -+ 1V -
+ 2V -
+ 3V -
100uA
600uA
200uA
300uA
0V
Figure 6-16 Exemple #6
Question
a) IR1 = ?, IR2 = ?, IR3 = ?
b) IRf & URf = ?
c) Uout = ?
Solution
IR1 = 1V / 10k = 100A
IR2 = 2V / 10k = 200A
IR3 = 3V / 10k = 300A
IRf = 100µA + 200µA + 300µA = 600µA
URf = 600A x 10k = 6V
U sortie = 0V - 6V = -6V
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6.10 L'amplificateur de différence
U1
U2
R1
R1'
R2
Usortie
R2'
Si R1 = R1' = R2 = R2'
Usortie = V2 - V1
Figure 6-17 Amplificateur de différence
Dans un amplificateur de différence, les tensions U1 et U2 sont appliquées simultanément aux entrées
inverseuse et non inverseuses de l'amplificateur opérationnel. Si toutes les résistances sont identiques, U
sortie = U2 - U1.
Si R1 = R1' et que R2 = R2', alors...
U sortie = ( V2 - V1 ) x R2
R1
# 1 - Exemple
Question
a) Uout = ?, UA = ?, UB = ?
b) UR1 = ?, IR1 = ?
c) UR2 = ?, IR2 = ?
d) U sortie = ? (Kirchhoff)
Solution
Uout = 4V - 3V = 1V
UA = 4V x 10k / (10k + 10k) =
2V
UB = UA = 2V
UR1 = 3V - 2V = 1V
IR1 = 1V / 10k = 100A
IR2 = IR1 = 100A
UR2 = 100A x 10k = 1V
Uout = 2V - 1V = 1V
3V
4V
R1
R3
R2
1V
+ 1V -+ 1V -
+ 2V -
100uA
2V+
2V
-R4
B
A0V
2V
R1 = R2 = R3 = R4 = 10k
Figure 6-18
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6.11 Exercices
# 1 - Donnez le brochage d'un A741.
# 2 - Donnez le brochage d'un LM324.
# 3 - Énoncez les deux règles de simplification.
# 4 - calculez a) Av, b) U sortie, c) Z entrée.
10k
10k
100k
1V
c.à c.
Usortie
# 5 - Trouvez: a) Av, b) U sortie, c) Z entrée
22k
3k9
68k
1V
c.à c.
Usortie
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# 6 - Trouvez Rf.
10k
12k
Rf
1V
c.à c.
Usortie = 4.58V c.à c.
# 7 - Trouvez U sortie, Av et Z entrée.
10k
5k
10k
1V
Usortie
R1
R2
R3
R5 10k
2kR4
# 8 - Trouvez U sortie, Av et Z entrée
. 47k 220k
Usortie
1,5VRin Rf
# 9 - Trouvez U sortie, Av et Z entrée
51k 910k
12V
Rin RfUentrée
# 10 - Trouvez Rf et Rin sachant que Z entrée = 10k.
12V
-1VRin Rf
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# 11 - Trouvez U sortie.
2VR1, 22k R2, 47k R3, 33k
R4
10k
UA
Usortie
# 12 - Trouvez U sortie et dites quel est le rôle de ce circuit.
2VR1, 10k R4, 30k
-3VR2, 20k
5VR3, 30k
Usortie
# 13 - Trouvez UB, UA et U sortie et dites quel est le rôle de ce circuit.
4VR1 R2
3VR3
R4 R1 à R4 = 10k
UA
UB
# 14 - Trouvez UA, UB et U sortie et dites quel est le rôle de ce circuit.
0,5V
UA
R1 2k
0,2V
R3 2k
R4 20kR2 20k
UB
Usortie
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# 15 - Trouvez U sortie#1, U sortie#2 et URc dans les cas où U entrée vaut 1 V C.C. et 1 V càc.
Uentrée
R1, 10k
R3, 20k
R2
10kRL
Usortie 1
Usortie 2
# 16 - a) Que vaut U sortie, si le curseur de P1 est en haut?
b) Que vaut U sortie, si le curseur de P1 est en bas?
R1, 10k
R3, 10k
P1
10k
R2
1k
1VUsortie
# 17 - Que valent U sortie #1 et U sortie #2 ?
R2
R3
2V
R11V
R4
R5
R6
R7
R8
R9
UB
Toutes les résistances
sont des 10k.
UA
Usortie 1
Usortie 2
# 18 - L’amplificateur de l’exercice #4 possède une f unité de 1 Mhz et un SR de 2V/µs. Calculez la bande
passante (BW) et l’amplitude maximale qu’une onde sinusoïdale à 50kHz peut avoir sans qu’il n’y ait à
la sortie une distorsion causée par la limite du temps de montée.
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7. Le transistor (base)
7.1.1 Structure:
Un transistor est formé de la juxtaposition de trois blocs de semi-conducteurs. Le dopage déterminera le type
de transistor de même que la fonction de chacun des blocs.
Les noms donnés aux différents blocs sont: l'émetteur, la base et le collecteur.
7.1.2 L'émetteur:
Il est fortement dopé afin d'être capable "d'émettre" aisément des porteurs (électrons ou trous) et il est de
dimension moyenne.
7.1.3 La base:
Elle est légèrement dopée car elle se doit d'être résistive et sa dimension est mince.
7.1.4 Le collecteur:
Il est moyennement dopé et de grande dimension car il a à supporter de grandes tensions en inverse et c'est
aussi lui qui a à dissiper la plus grande partie de la chaleur émise par le transistor.
E B C
Figure 7-1
E B C
Dimension: moyen mince grand
Dopage: grand faible moyen
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B
B
C
B
E
N
P
N
=
C
B
E
P
N
P
=
C
B
E
=
E
B
C
=
C
E
C
E
Figure 7-2 : Types de transistors:
7.2 Fonctionnement (cas du npn):
N P N
E B C
Zone d’apauvrissement Zone d’apauvrissement
Base-émetteur Collecteur-base
Figure 7-3
La Figure 7-3 nous montre le résultat de la juxtaposition des trois blocs.
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78
C
Figure 7-4
A la Figure 7-4 on prend à part la base et le collecteur. A l'intérieur de la zone de déplétion un champ
électrique est créé par le dipôle présent de part et d'autre de la jonction. Si un électron est injecté à l'intérieur
de ce dipôle, le champ électrique le déplacera de la base vers le collecteur.
L'injection d'électrons se fera via l'émetteur. La jonction base-émetteur étant polarisée en direct, des
électrons circulent dans la base. Celle-ci étant mince, un nombre important d'électrons passent dans la zone
de déplétion et sont envoyés dans le collecteur.
IE
!!???
IB
IC
E B C
Figure 7-5
La jonction base-émetteur est polarisée en direct. Les électrons arrivent en grand nombre du bloc N de
l'émetteur qui est fortement dopé.
Parce que la base est très mince et aussi parce que la zone de déplétion de la jonction collecteur-base a pris
une forte dimension, par effet dit de diffusion les électrons pénètrent cette zone et se font repousser dans la
région du collecteur.
Le nombre d'électrons se rendant à la borne électrique de la base est faible comparativement au nombre qui
s'en vont dans le collecteur.
Pour un PNP c'est la même chose mais ce sont des trous cette fois-ci qui se promènent.
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79
électron
trou
Figure 7-6
7.3 Caractéristiques des transistors
7.3.1 IC vs VCE.
IB
RB
IB
UBB
+
UCE
-
IC
UCC
(=UCE)
Figure 7-7
Le transistor est une source de courant contrôlée. La source de courant est le collecteur et le courant de base
est le contrôleur. En variant UBB on variera de même IB où IB=(UBB - UBE). En variant UCC on varie par le fait
même UCE. Pour différentes valeurs de IB fixes et en variant UCE on retrouve le graphique de la Figure 7-8.
IC
UCE
IB=20µA
IB=40µA
IB=60µA
IB=80µA
IB=100µA
IB=120µA
IB=0A*
2mA
4mA
6mA
8mA
10mA
12mA
UCEsat = 0.1 à 1V
Zone d'opération Zone de saturation *causé par Is
Figure 7-8
7.3.2 Zone de saturation
Si UCE = 0 l'effet transistor ne peut se produire, c'est-à-dire que les électrons ne peuvent être attirés vers le
collecteur. A mesure que le UCE augmente la zone de déplétion s'épaissit dans la base et les électrons sont de
plus en plus poussés vers le collecteur.
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80
7.3.3 Zone d'opération
Lorsque le UCE n'était pas suffisamment élevé, le gain en courant b était faible. Passé une certaine valeur de
UCE, le ß se stabilise et on n'observe plus de variation de courant IC même si UCE varie. Le collecteur du
transistor se comporte comme un générateur de courant contrôlé par le courant IB.
7.3.4 Zone de coupure (où IC = 0 A)
Le transistor atteint la coupure lorsque IC = 0 A. Ce qui revient à dire que le transistor se comporte comme
un circuit ouvert (coupé). On retrouve alors à ses bornes la tension de l'alimentation, c'est-à-dire que UCE =
UCC.
IB = 0A +
UCE = UCC
-
IC = 0A
UCC
Figure 7-9: Transistor à coupure.
A la Figure 7-9 on voit bien qu'il ne peut y avoir de courant circulant dans le collecteur du transistor s'il n'y a
pas de courant de base. La résistance se trouvant en série avec le collecteur et la source UCC ne chute alors
aucune tension. On retrouve ainsi toute la tension de la source UCC aux bornes du transistor (UCE), celui-ci
étant un circuit ouvert. Si on regarde cependant sur le graphique IC vs UCE (Figure 7-8), lorsque IB vaut 0A,
un très faible courant de collecteur est présent. La raison de ce phénomène est qu'un courant de coulage est
présent entre le collecteur et la base du transistor créant ainsi un courant de base non-désiré par l'intérieur du
transistor.
7.3.5 ß en fonction de IC et de la température
ß
IC
150°C
Limites d'utilisation utile du transistor.
-50°C
Figure 7-10
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81
Le gain en courant d'un transistor (ß) varie énormément. La Figure 7-10 montre une variation typique du ß.
A une température donnée le ß passe par une valeur maximale à mesure que le courant de collecteur
augmente. Les variations du ß peuvent être dans l'ordre de 3 pour 1 à l'intérieur des limites d'utilisation utiles
du transistor; cela dépend évidemment aussi du type de transistor. Un changement dans la température
ambiante a aussi un effet sur le ß.
Dans le pire des cas, où la température et le courant IC vont varier de beaucoup, le ß peut varier jusque dans
des proportions de 9 pour 1. Rappelez vous que la conception d'un circuit exigeant une valeur précise du ß
est condamnée à l'échec dès le départ. Une bonne conception signifie d'arriver à des circuits qui ne
dépendent pas de la valeur de ß.
7.3.6 Tension de rupture
BUCEO (tension de rupture): C'est la tension (UCE) à laquelle le transistor se met à conduire sans IB. La
jonction collecteur-base atteint UR max.
ICEO: Courant de collecteur résiduel même s'il n'y a pas de IB. Ceci est causé par la multiplication de Is par le
ß du transistor
On notera aussi l'effet de RR de la jonction base-collecteur. À mesure que UCE augmente, un courant est
apporté à la base par cette résistance de coulage et sera aussi multiplié par le ß. Son effet sera de donner une
légère pente aux courbes IC vs UCE.
IC
UCE
NPN
C
E
B
R R
Is
E
PNP
C
B
R R
Is
Pente due à R
Région de saturation
Région
d'avalanche ICE0
IB = 0A
ß x Is
R
7.3.7 Puissance dissipée
Un transistor comme tout autre élément électronique a une puissance maximum à dissiper. On appellera la
zone délimitée par le produit IC x UCE = Pmax, la zone d'équipuissance. (Pourquoi? Parce que passé cette
zone, "il cuit"!)
Par exemple un 2N4401 peut dissiper au maximum 500 mWatt. Il ne faut donc pas utiliser le transistor dans
la zone où IC x UCE > 500 mW. On peut trouver cette zone sur le graphique IC vs UCE:(Figure 7-11)
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82
IC
UCE
Courbe d'équipuissance où IC x UCE =
Pmax.
Figure 7-11
Indiquez les polarités des tensions VCE et VBE afin que les courants IC et IB se déplacent comme indiqué.
IB
IC
IE
Uce
Ube
Figure 7-12
En manipulant les deux équations précédentes, on découvre aussi ceci:
IE = IB +ß IB
donc: IE = IB x (ß + 1)
ou encore: IB = IE / (ß + 1)
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83
En résumé:
Cas NPN Cas PNP
Uce Uce
Ube Ube
IB
IC
IB
IC
IE IE 0,7V 0,7V Figure 7-13
IC =ß x IB (Travail du transistor)
IE = IC + IB (Nœud de courant)
IE = (ß + 1) x IB
La flèche qui symbolise l'émetteur pointe dans le sens du courant conventionnel.
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84
# 1 - Exemple
Question:
IC = ?
IE = ?
Solution:
IC = ß x IB = 100 x 20µA = 2mA
IE = IC + IB = 2mA + 20µA = 2.02mA
# 2 - Exemple:
Question:
IB = ?
IC = ?
Solution:
IB = IE / (ß + 1) = 915µA / (60 +1) = 15µA
IC =ß x IB = 60 x 15µA = 900µA ou encore IC = IE - IB = 915µA - 15µA = 900µA
# 3 - Exemple:
Question:
IB = ?
IE = ?
Solution:
IB = IC / = 2mA / 80 = 25µA
IE = IC + IB= 2mA +25µA = 2.025mA
# 4 - Exemple:
Question:
IB = ?
IC = ?
Solution:
IB = IE / (ß + 1) = 5.02mA / 251 = 20µA
IC = ß x IB = 250 x 20µA = 5mA
IB = 20uA
= 100
IE = 915uA
= 60
2mA
= 80
IC
= 250
IE = 5,02mA
IB
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85
7.4 MONTAGE DARLINGTON:
On peut grouper des transistors ensemble. On fait ceci dans le but d'avoir un gain en courant plus grand. En
effet, on se sert du courant amplifié de l'un (IET1) pour commander la base de l'autre (IBT2). Ceux-ci se
branchent comme illustré à la Figure 7-14.
T1
T2 T2
T1
Figure 7-14
Le courant d'émetteur du premier transistor (IET1) est le courant de base du deuxième transistor (IBT2) qui le
multiplie à son tour par son facteur ß.
# 1 - Exemple:
Trouver: ICT1, IET1, IBT2, ICT2, IET2, IT, IT / IBT1 et est-ce que IBT1 + IT = IET2?
T1
T2 = 75 = 100
IT20uA
Figure 7-15
Solution:
ICT1 = ß x IBT1 = 100 x 20µA = 2mA
IET1 = IBT1 + ICT1 = 2mA + 20µA = 2.02mA
IBT2 = IET1 = 2.02mA
ICT2 = IBT2 x ß = 2.02mA x 75 = 151.5mA
IET2 = IBT2 + ICT2 = 2.02mA + 151.5mA = 153.52mA
IT = ICT1 + ICT2 = 2mA +151.5mA = 153.5mA
IT/IBT1 = 153.5mA / 20µA = 7675
20µA + 153.5mA = 153.52mA !!! (Nœud de courant OK)
T1
T2 = 75 = 100
IT20uA
Figure 7-16
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7.5 Différentes utilisations des transistors :
Un transistor à deux fonctions: La commutation et l'amplification...
Le transistor en commutation
L'utilisation la plus simple: si un courant arrive à la base et que la tension est de 0,6 Volts (ou de -0,6 volts si c'est un
PNP) par rapport à l'émetteur, comme expliqué ci-dessus, le transistor passe de l'état bloqué à l'état passant. C'est il
agit comme interrupteur commandé. Pour revenir à l'état bloqué, et donc, ne plus faire passer de courant du collecteur
vers l'émetteur (ou de l'émetteur vers le collecteur), il suffit d'avoir une tension inférieure à 0,6 volts par rapport à
l'émetteur (ou -0,6 volts si c'est un PNP)
Il suffit ensuite de mettre un composant en série pour faire fonctionner ce composant sur commande (par exemple
faire allumer une DEL).
Voici un schéma tout simple:
Uc est la tension aux bornes du condensateur. Mais l'émetteur (E) du transistor est
relié directement au condensateur, il n'y a pas de résistance entre l'émetteur et le
condensateur... Donc, UC = UBE . Lorsque l'on branche la batterie (Bat.), on a, au
départ, UC = UBE = 0 Volts. Donc, le transistor est bloqué. Puis le condensateur se
charge doucement. La résistance R1 permet de déterminer le temps de charge du
condensateur. Plus la valeur de R1 est grande, plus le condensateur mettra de
temps à se charger... et donc, plus l mettra de temps a atteindre.... 0, 6 Volts.
Lorsque cette tension est atteinte, le transistor devient passant et laisse passer de
plus en plus de courant jusqu'à un moment ou le courant qui passe du collecteur à
l'émetteur n'augmente plus: c'est l'état saturé.
La DEL (D) va donc s'allumer progressivement. La résistance R2 sert à limiter le courant qui passe pour deux choses:
1/ Ne pas détruire la DEL 2/ Ne pas détruire le transistor en faisant passer trop de courant dans le collecteur... Et si on
utilisait un PNP ?
Le transistor en amplification
Le transistor peut amplifier deux choses: Le courant et la tension...
1/ l'amplification en courant
Le courant qui traverse le collecteur est proportionnel à celui qui traverse la base, et ce selon la relation Ic = x Ib où
(bêta) est le coefficient d'amplification, qui dépend du transistor, mais qui peut varier selon la température
extérieure.
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2/ L'amplification en tension
Ici, il faut s'affranchir de , pour cela, nous allons rajouter une résistance au
niveau de l'émetteur, appelée résistance de contre-réaction. Cette résistance
est notée RE.
Récapitulons:
RE est la résistance de contre-réaction
RC est la résistance de charge, calculée pour éviter qu'un courant trop important
ne vienne détruire le transistor
RB est aussi une résistance de protection.
L'amplification est calculée ainsi: AV = RC / RE.
RC se calcule ainsi: RC = Ualim / ICmax. On prévoira une marge de sécurité, car RC possède une tolérance... Ainsi, si
l'on trouve 2 K, on mettra 2, 2 K(Ualim est la tension d'alimentation et ICmax est la valeur maximale de l'intensité
qui peut traverser le collecteur - cette valeur est donné par le constructeur)
RE se calcule ainsi : RE = RC / AV . Bien entendu, c'est AV est fixé en fonction de la tension d'entrée Ue et de la
tension de sortie Us que nous désirons.
Comme Us = AV x Ue, alors, AV = Us / Ue.
EXEMPLE:
Il nous faut une tension de sortie de 5 Volts. La tension d'entrée, récoltée, par exemple, sur un microphone est de 0,05
Volts. Il nous faut donc une amplification de Us / Ue = 5 / 0,05 = 100
Nous devons donc avoir 100 = RC / RE
Calculons RC...
Pour un transistor 2N792, ICmax doit être de 25 mA, soit 0,025 A.
Soit une tension d'alimentation de 9 Volts, on a : RC = Ualim / ICmax.= 9 / 0,025 = 360
La résistance de charge est fixé, reste la résistance de contre-réaction.
On a : RE = RC / AV = 360 / 100 = 36
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7.6 Amplificateur de courant pour amplificateur de tension.
7.6.1 Rôle du transistor
Le courant maximal de sortie d'un amplificateur opérationnel typique est limité. Pour un 741C, par exemple,
il est de 20 mA. Si la charge exige un courant plus élevé, il faut ajouter un élément "amplificateur de
courant" à la sortie.
Regardons les figures suivantes. Ces diagrammes (synoptique et schématique) représentent une alimentation
régulée de laboratoire.
120 V
ac Bloc d'alimentation
Référence Amplificateur /
Comparateur
Élément de
puissance
Réseau de
contre-réaction
Vers la charge
Diagramme fonctionnel
#1
#2
#3 #4
#5
Figure 7-1
Portons notre attention vers l'élément de puissance (#4). C'est un transistor. Son rôle est d'amplifier le
courant. Il fournit à la charge le courant nécessaire selon la commande de l'amplificateur opérationnel. Ainsi
il véhicule l'énergie en provenance du bloc d'alimentation vers la charge sous l’œil vigilant du circuit de
contrôle. composé des blocs #2, #3 et #5.
Charge
Diagramme
schématique
#2#3
#4
#1
#5
IE
Figure 7-2
Le transistor (encadré #4 et Figure 7-3) possède trois broches: le collecteur, la base et l'émetteur.
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Base
Collecteur
Émetteur
IB
IC
IE
(Transistor de type NPN)
IB
IC
IE
Figure 7-3
L'amplificateur opérationnel est celui qui pourvoit le courant de base IB contrôlant IC et IE. Dans notre
exemple (Figure 7-2), la charge est branchée à l'émetteur d'où elle reçoit son courant.
On dit que le transistor est un amplificateur de courant. En effet, IC est un courant qui est IB multiplié par un
facteur, ß, qu'on appelle le gain en courant du transistor. Un transistor typique peut avoir un ß égal à 100.
IC = ß x IB
Le courant IE se trouve la somme de IC et de IB.
IE = IC + IB
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7.7 Ajout d'un transistor à un amplificateur opérationnel
Voici, à la Figure 7-4, l'application classique du transistor comme amplificateur du courant de sortie d'un
amplificateur opérationnel (voir aussi la Figure 7-1 et la Figure 7-2).
18V
TIP31741
= 100
1A 12V
12R
+
12V
-
68k 1k
51k
270R
1W
+
5,1V
-
1N4733
Figure 7-4
Le circuit illustre bien le rôle du transistor. Son emploi est justifié du fait que l'amplificateur ne peut fournir
de lui-même le courant de 1 ampère exigé par la charge de 12.
Pas cabable!
Figure 7-5
Un amplificateur opérationnel typique ne peut d'ordinaire fournir plus de 20mA. Ce qui est bien au-dessous
du courant de 1 ampère qui est nécessaire dans ce cas-ci (Voir les caractéristiques). Le transistor vient donc à
la rescousse de l'amplificateur opérationnel en lui fournissant les muscles qui lui manquent. L'amplificateur
ne fournit que 9,9mA, ce qu'il est en mesure de faire.
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Cerveau Muscles
(ampli.op.) (Transistor)
ß=100
9,9mA
1A
Figure 7-6
18V
TIP31741
= 100
1A 12V
12R+
12V
-
68k 1k
51k
270R
1W
+
5,1V
-
1N4733
- 12,9 + 47,8mA
11,6mA
1,7mA
100uA100uA
5,1V- 6,8V + - 0,1V +
1A
990mA
1,06A
9,9mA
12,7V + 0,7V -
Figure 7-7
* 1.7mA est le courant d'alimentation du 741. On retrouve cette spécification dans les caractéristiques. C'est
le courant qu'il demande pour rendre opérationnels ses composantes internes.
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7.8 Exercices
# 1 -
a) IC = ?
b) IE = ?
# 2 -
a) IC = ?
b) IE = ?
# 3 -
a) IB = ?
b) IC = ?
# 4 -
a) IBT2 = ?
b) IET2 = ?
c) IET1 = ?
d) IBT1 = ?
e) ICT1 = ?
# 5 -
a) IBT2 = ?
b) ICT2 = ?
c) IET1 = ?
d) IBT1 = ?
e) ICT1 = ?
f) IT = ?
10uA = 100
= 15010uA
= 75
20mA
T1
T2
= 10 = 50
10A
T1
T2
= 50
= 100
1A
IT
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# 6 -
a) ICT1 = ?
b) IET1 = ?
c) IBT2 = ?
d) ICT2 = ?
e) IET2 = ?
f) IT = ?
# 7 - Examiner la figure suivante et trouver toutes les tensions et les courants demandés. Ne pas oublier de
consulter les caractéristiques des amplificateurs opérationnels.
a) Usortie = ?
b) Isortie = ?
c) IR1 =IR2 = IR3 = ?
d) IE = ?
e) IB = ?
f) IC = ?
g) UB = ?
h)Courant d'alimentation
du TL071 = ?
i) IRZ = ?
j) I1 = ?
k) I2 = ?
l) IT = ?
m) Puissance dissipée par le transistor = ?
T1
T2
= 50
IT = 100
10mA
18V
T L071 = 80
I sortie
24R+
U sortie
-
1k2 200R
R1
270R
+
5,1V
-
1N4733
I1
I2
IT
R3R2
1k
RZ
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# 8 - Examiner la figure suivante et trouver toutes les tensions et les courants demandés. Ne pas oublier de
consulter les caractéristiques des amplificateurs opérationnels.
30V
1436
= 75
6R
1k
Rin
910R
+
12V
-
1N4742
I1
I2
IT
Rf
1k
RZ
= 25
T1
T2
UBE = 0,7V
U sortie
a) Usortie = ?, Isortie = ?
b) IRF = ?
c) Courant d'alimentation du 1436 = ?
d) IET2 = ?
e) IBT2 = ?
f) IBT1 = ?
g) ICT1 = ? , ICT2 = ?
h) IRZ = ?
i) I1 = ?
j ) I2 = ?
k) IT = ?
l) UBT2 = ?,UBT1 = ?
m) Puissance dissipée par T2 = ?
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# 9 - Trouver les valeurs demandées.
= 60
TIP42
-
5,1V
+
-15V
IT
5k1
3k9
18R
-
U sortie
+
I sortie
OP27
200R
RZ
DZ
a) Courant d'alimentation du OP 27 = ?
b) Usortie = ?
c) IE = ?
d) IB = ?
e) IC = ?
f) I1 = ?
g) IRZ = ?
h) IT = ?
i) UB =?
j) Puissance dissipée par le transistor = ?