MODULE .04.001
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RAM Academy GMK FORMATION TECHNICIEN DE MAINTENANCE AERONAUTIQUE ELECTRONIQUE FONDAMENTALE CAT B1 Réf : TA10204-01 Matière : Module.04 S/Matière : ELECTRONIQUE FONDAMENTALE CAT B1 Révision Rédaction Vérification 00 Nom Mr.Lhoussine BAHATTI Mr Brahim KARKAR Date Fonction Instructeur Département formation technique 20.06.2006 Visa RAM Academy Référence :TA10204-01 Page 1/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif NOTE Limite de responsabilité. Toutes les informations contenues dans la présente publication sont sujettes à des révisions constantes afin de répondre aux exigences et/ou nouvelle réglementations gouvernementales. Aucun lecteur ou abonné ne devrait agir sur la base des informations fournies sans consulter les lois et les règlements en vigueur et/ou consulter un professionnel qualifié. RAM Academy a de bonne foi réuni des informations pertinentes mais elle ne peut être tenue responsable pour aucun dommage et/ou perte subis à cause des erreurs, des omissions, des fautes d’imprimerie ou même d’interprétations contenues dans cette publication. De plus, RAM Academy déclare expressément qu’elle se dégage de toute responsabilité à l’égard de toute personne, qui a acheté ou reçu cette publication, en ce qui a trait à toutes les informations fournies et/ou omises, et des conséquences directes ou indirectes pour toute personne se fiant aux informations dans cette publication. Reproduction. Aucune partie du cours de * ‘’ titre de la matière ‘’ publiée par RAM Academy, ne peut être reproduite par un procédé quel qu’il soit, ni modifiée ou transmise sous une forme quelconque, ceci inclus la photocopie, l’enregistrement, l’archivage et la recherche d’information, sans l’autorisation écrite du : Directeur général de RAM Academy Campus Royal Air Maroc Aéroport Casa-Anfa 20200 Casablanca MAROC RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 2/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif INDEX DES CHAPITRES ET SOUS CHAPITRES TITRE / DESIGNATION Les composants résistifs Les composants capacitifs Les semi-conducteurs La jonction P-N Les différents types de diodes Les filtres RC – RL Les alimentations Le transistor bipolaire Le transistor à effet de champs Les montages fondamentaux RAM Academy PAGE 6 9 14 17 20 22 25 35 38 41 Référence :TA.1.04.1.001 Page 5/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif ENGAGEMENT DE CULTURE ET DE SÉCURITÉ RAM Academy Parmi nos valeurs fondamentales, nous inclurons : • Sécurité, sûreté, santé et environnement • Comportement Moral et l’honnêteté intellectuelle • Estimation des personnes sans distinction ni de race, ni de religion. CONVICTIONS FONDAMENTALES Nos convictions fondamentales en matière de sécurité sont : • La Sécurité est un élément fondamental et une valeur personnelle • La Sécurité est une source d’avantage compétitif • Nous renforcerons notre business en faisant de l’excellence en sécurité une partie intégrante de tous nos vols et de toute notre activité sol. • Nous croyons que tous les accidents et incidents sont évitables. • Tous les niveaux de management sont responsables des performances de sécurité à commencer par le Président-Directeur Général (PDG) et le Directeur Général. LES FONDEMENTS DE NOTRE APPROCHE DE LA SÉCURITÉ Les cinq éléments fondamentaux de notre approche de sécurité incluent : L’Engagement de Cadres supérieurs • L’excellence en matière de sécurité sera une composante de notre mission • Les Directeurs et les Responsables désignés tiendront pour responsables de la performance sécurité l’ensemble des employés et agents de leur service. • Les Directeurs et les Responsables désignés démontreront leurs engagements permanents et continuels en matière de sécurité. Responsabilité de Tous les Employés La performance de Sécurité sera une partie importante de notre système d’évaluation de notre ressource humaine. Nous reconnaîtrons et récompenserons la performance de sécurité aussi bien en vol qu’au sol. Préalablement à tout travail, nous rendrons tout un chacun, conscient et au courant des règles de sécurité et de l’obligation de les respecter. Les objectifs clairement communiqués de “Zéro Incidents” Nous aurons un objectif formel de sécurité et nous nous assurerons que chacun le comprend et l’accepte. Nous mettrons un système d’information et de motivation en place pour tenir notre personnel en éveil sécurité. Audit et Mesure en vue d’amélioration Le management s’assurera que des audits de sécurité sont conduits avec la participation de tous les employés. Nous dirigeront nos audits sur le comportement du personnel aussi bien que sur les conditions d’exploitation. Nous établirons des indicateurs de performance pour nous aider à évaluer notre niveau de sécurité. Responsabilité de tous les employés Chacun d’entre nous doit accepter la responsabilité de son propre comportement Chacun d’entre nous participera au développement du standard de sécurité et des ses procédures Nous communiquerons ouvertement l’information sur les incidents de sécurité par un retour d’information. Chacun d’entre nous tiendra compte de l’engagement sécurité des autres personnels de notre organisation. LES OBJECTIFS DU PROCESSUS DE SÉCURITÉ TOUS les niveaux de management sont clairement engagés dans la sécurité. Nous aurons un système de mesures clair avec une responsabilité et un engagement clair de chaque employé. Nous aurons un système de communication ouvert de sécurité. Nous impliquerons chacun dans le processus de décision. Nous fournirons la formation nécessaire pour construire et maintenir de façon significative les habiletés et les compétences et enrichir l’expérience des responsables de la sécurité de vol. La sécurité de notre personnel, de nos clients et de nos fournisseurs sont pour nous un objectif stratégique. Driss EL FAHLI Directeur Général de RAM Academy RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 3/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif DOCUMENTS DE REFERENCE ET REFERENCES REGLEMENTAIRES RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 4/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif Les composants résistifs Définition d'une résistance Le composant électronique correspondant prend le nom de résistor comuniment appelé résistance. Un résistor est défini par : - la valeur de sa résistance nominale en ohm (portée sur le corps, code des couleurs). - la valeur de sa dissipation ou puissance en watt (c'est la puissance que peut dissiper la résistance pour une température maximale de sa surface, indiquée par le fabricant ou par une température de l'ambiance). - la valeur de sa tolérance en % (c'est un pourcentage que le fabricant s'engage à respecter pour toutes les pièces livrées). Eventuellement on précise : - sa tension limite d'utilisation - son coefficient de température Phénomène de conduction dans un conducteur métallique A l’état normal, un métal possède des électrons libres. En l’absence d’un champ électrique, le mouvement de ces électrons est désordonné et conduit à des chocs multiples entre électron et ion fixe du métal. Le courant résultant est d’intensité nulle. Sous l’effet d’un champ électrique, les électrons libres ont tendance à suivre la même direction pour atteindre la borne (+) du générateur de tension. La vitesse moyenne d’un électron est : v ==.E avec = la mobilité des électrons dans le conducteur. On définit alors la loi d’Ohm comme suit : Avec s = n.e.= ( n : concentration en électron libre) Sachant que E=V/l , on montre que Résistivité d'un conducteur La résistance d'un corps dépend de sa résistivité et de ses dimensions. Plus sa longueur est grande, plus les électrons ont de chemin à parcourir et à vaincre les obstacles de la résistivité. Plus sa section est faible et plus la densité des électrons est élevée, augmentant les difficultés. La résistance d'un conducteur dépend de ses dimensions et de sa nature : RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 6/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif est la résistivité : c’est la résistance d’un échantillon de conducteur, suivant l’unité de section et l’unité de longueur. Le tableau suivant donne des exemples de valeurs : Matériaux à 0°C Argent Cuivre Aluminium Fer Verre en ! . cm2/cm 1,5 1,6 2,6 10 90.106 Principe électrique Les électrons libres possèdent une charge négative. Si leur trajectoire est orientée par une source extérieure, c'est une certaine quantité d'électricité qui va parcourir le conducteur en fonction de sa résistance et de sa différence de potentiel aux bornes. C'est la loi d'Ohm. Cependant, les chocs des électrons dans le conducteur, en fonction de la tension aux bornes et de sa résistance, libèrent une énergie transformée en chaleur, c'est la puissance du dispositif. Remarque : Une résistance ne présente ni capacité, ni coefficient de self-induction, de ce fait, elle ne provoque aucun déphasage entre le courant et la tension aux bornes. RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 7/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif Les différentes technologies Résistors bobinés de puissance Ils sont obtenus par bobinage de fil résistant (NiChrom V) sur un support réfractaire ayant une bonne tenue en température. • 0,1-200 Kohms • Série E12 • 3 W à 200 W Résitors bobinés de précision Ils sont obtenus par bobinage d’un fil en alliage tel le manganin ou le constantan, autour de bâtonnets en plastique ou en stéatite. • 0,1-1 Mohms • Série E96 • 0,1 W à 2W Résistors à couche de carbone Ils sont obtenus par une dépose par pyrolyse de carbone sur un bâtonnet en céramique préalablement cuit au four. • 0,1-100 Mohms • Série E12,E24,E48 et E96 • 0,1 W à 2 W Résistors à couche métallique Ils sont obtenus par l’évaporation de différents métaux (Or, Platine, Rhodium, Paladium) sur un bâtonnet en céramique ou en verre. • 0,1-100 Mohms • Série E12,E24,E48 et E96 • 0,1 W à 2 W Résistors verre-metal à couche épaisse Ils sont obtenus par un dépôt par sérigraphie de pâtes résistantes sur des supports en Céramique ou en Alumine. • 10-100 Mohms • Série E3,E3,E12 et E24 • 0,1 W à 2W Résistors agglomérés Ils sont obtenus par moulage dans un tube en Bakélite de pâte résistante composée de silice, de Bakélite, ou de carbone. RAM Academy • 0,1-100 Mohms • Série E12,E24,E48 et E96 • 0,1 W à 2 W Référence :TA.1.04.1.001 Page 8/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif Les composants capacitifs Constitution et propriétés La nature du diélectrique détermine les caractéristiques du composant. Il existe en céramique plastique, verre, mica, papier et électrolytique solide (tantale..), liquide (aluminium,tantale..). Comportement fréquentiel : Un condensateur dissipe toujours de la chaleur lorsqu'on le soumet à une tension variable. Il révèle ainsi une composante génératrice de perte : tg angle de perte avec tg = Rp.C.w avec Rp étant la résistance de perte, C la capacité et w la pulsation. Tolérance : Elle peut varier considérablement (100%), elle exprime la variation relative de la capacité par rapport à la capacité nominale. Coefficient de température : Il est dû au modification de l'isolant consécutif aux champs électriques engendrés par les variations de tension. RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 9/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif Schématique et marquage des différentes technologies RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 10/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif Plage d'utilisation des différentes familles de condensateur Utilisation des différentes technologies Utilisation Radar, télé... Haute Fréquence > 100 khz Circuit d’accord Famille de Caractéristique condensateur Mica (1pF à 200nF) Précis, bonne tenue en température, Verre (1pF à 10nF) remplacé de plus en plus par les micas. Céramique type 1 Précis et stable. (1pF à 2nF) Circuit de liaison de Céramique type découplage (100pF à 470nF) 2 Imprécis et instable. tensions Papier non métallisé Utilisable jusqu’à 10000 Volts. (1nF à 100=F) Papier métallisé Remplacé de plus en plus Circuit de liaison de (10nF à 200=F) par les films plastiques, utilisé aussi pour découplage Polyester (1nF à 250=F) des circuits d’antiparasitage. Circuit d’accord Très stable, très fiable, condensateur de Polycarbonate oscillateur, précision. (1nF à 250=F) intégrateur Régime impulsionnel Polypropylène Résistance série faible, supporte des alimentation à courants efficaces élevés. (100pF à 250=F) découpage Fonctionnement à des Polysulfone métallisé Fonctionne à des températures élevées, températures élevées (1nF à 250=F) grande stabilité. Aluminium Courant de fuite de quelques micro-ampère, Filtrage, découplage à électrolyte liquide tension de service jusqu’à 550 volts. (1=F à 150000=F) Tantale Faible volume par rapport à l’aluminium, Filtrage, découplage à électrolyte gélifié tension de sortie limitée à 150 volts. (1=F à 1000=F) Tantale Stockage d’énergie Très stable en température, courant de fuite à électrolyte solide prolongé inférieur au micro-ampère. (1=F à 20000=F) Tantale Tension de service limitée à 125 volts, Circuit RC, à électrolyte solide oscillateur faible volume, stable. (10nF à 500=F) Pour des élevées Basse et Moyenne Fréquence Inférieur à 10 khz Principe d'un montage intégrateur (circuit : RC) RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 11/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif Pour un condensateur préalablement chargé à une tension Vi à t = 0, on a : Comportement d'un condensateur soumis à un courant constant Comme , si le courant i = I0, intensité constante on à : d'où : L'équation de l'allure de charge du condensateur est donc : avec K constante d'intégration, qui dépend des conditions initiales. La tension Uc évoluera donc linéairement dans le temps. Le signal sera l'allure d'une rampe. Application : Principe d'un montage dérivateur (Circuit : CR) D'après la loi des mailles : VS = VE - UC1 . On soustrait le signal UC1 au signal de VE, afin d'obtenir VS. RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 12/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif Remarque : Les montages dérivateurs sont généralement utilisés comme commande de déclenchement d'une bascule monostable. Exemples de montages dérivateurs RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 13/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif Les semi-conducteurs Cette partie va présenter quelques modèles simples de semi-conducteurs, en vue de faciliter par la suite l'explication rapide des fonctionnements des dispositifs construits de semi-conducteurs, tels que diode, transistor à effet de champ, transistor bipolaire, etc… Semi-conducteurs intrinsèques Un cristal de semi-conducteur intrinsèque est un solide dont les noyaux atomiques sont disposés aux nœuds d'un réseau géométrique régulier. La cohésion de cet édifice est assurée par les liens de valence qui résultent de la mise en commun de deux électrons appartenant chacun à deux atomes voisins de la maille cristalline. Les atomes de semi-conducteurs sont tétravalents et le cristal peut être représenté par le réseau de la figure ci-contre. Chaque atome peut former quatre liaisons de valence. Un atome trivalent peut former trois liaisons, et un atome pentavalent peut former cinq liaisons. • L'électron qui possède une énergie suffisante peut quitter la liaison de valence pour devenir un électron libre. Il laisse derrière lui un trou qui peut être assimilé à une charge libre positive. En effet, l'électron quittant la liaison de valence à laquelle il appartenait démasque une charge positive du noyau correspondant. Le trou peut être occupé par un autre électron de valence qui laisse, à son tour, un trou derrière lui. Tout se passe comme si le trou s'était déplacé, ce qui lui vaut la qualification de charge libre. La création d'une paire électron libre-trou est appelée génération alors qu'on donne le nom de recombinaison au mécanisme inverse. La température étant une mesure de l'énergie cinétique moyenne des électrons dans le solide, la concentration en électrons libres et en trous en dépend très fortement. Exemples Le Silicium a un nombre volumique d'atomes de 5.1022 par cm3. A 300K (27°C), le nombre volumique des électrons libres et des trous est de 1,5.1010 cm-3, soit une paire électron-trou libre pour 3,3.1012 atomes. Le nombre volumique des atomes dans le Germanium est de 4,4.1022 par cm3. A 300K, le nombre volumique des électrons libres et des trous est 2,5.1013 cm-3, soit une paire électron libretrou pour 1,8.109 atomes. RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 14/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif Semi-conducteurs extrinsèques de type N Un semi-conducteur dans lequel on aurait substitué à quelques atomes tétravalents des atomes pentavalents est dit extrinsèque de type N . Quatre électrons de la couche périphérique de l'atome pentavalent prennent part aux liens de valence alors que le cinquième, sans attache, est libre de se mouvoir dans le cristal. L'électron libre ainsi créé neutralise la charge positive, solidaire du réseau cristallin, qu'est l'atome pentavalent ionisé. Le dopage est l'action qui consiste à rendre un semi-conducteur extrinsèque. Par extension, ce terme qualifie également l'existence d'une concentration d'atomes étrangers : on parle ici de dopage de type n. On donne le nom d'impuretés aux atomes étrangers introduits dans la maille cristalline. Dans le cas d'un semi-conducteur extrinsèque de type n, les impuretés sont appelées donneurs car chacune d'entre elles donne un électron libre. • • Les dopages courants sont d'environ 1016 à 1018 atomes par cm3. On peut admettre que le nombre volumique des électrons libres est égal au nombre volumique des impuretés et que le nombre volumique des trous (charges libres positives) est négligeable. Etant données ces considérations, on établit le modèle de semi-conducteur représenté ci-dessous dans lequel n'apparaissent que les charges essentielles, à savoir les électrons libres et les donneurs ionisés. Les charges fixes sont entourées d'un cercle. Semi-conducteurs extrinsèques de type P • Si l'on introduit des atomes trivalents dans le réseau cristallin du semi-conducteur, les trois électrons de la couche périphérique de l'impureté prennent part aux liens de valence, laissant une place libre. Ce trou peut être occupé par un électron d'un autre lien de valence qui laisse, à son tour, un trou derrière lui. L'atome trivalent est alors ionisé et sa charge négative est neutralisée par le trou (voir figure ci-dessous). Le semi-conducteur est alors dit extrinsèque de type p. Les impuretés, pouvant accepter des électrons, sont appelées accepteurs. RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 15/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif Les impuretés, dans un semi-conducteur extrinsèque de type P, sont appelées accepteurs au vu de leur propriété d'accepter un électron situé dans un lien de valence. On peut faire les mêmes considérations qu'auparavant concernant le nombre volumique des trous : il est approximativement égal au nombre volumique des impuretés. Le nombre volumique des électrons libres est alors considéré comme négligeable. Il s'ensuit un modèle, représenté à la figure ci-dessous, dans lequel n'apparaissent que les charges prépondérantes : les trous et les accepteurs ionisés. Remarque : Il faut remarquer que le semi-conducteur extrinsèque, type P ou type N, est globalement neutre. On peut le comparer à un réseau géométrique dont certains nœuds sont chargés et dans lequel stagne un "gaz" de charges mobiles qui neutralise les charges fixes du réseau. On élargit, par la suite, la notion de semi-conducteur de type N à un semi-conducteur dont le nombre volumique des donneurs l'emporte sur celui des accepteurs et celle de semiconducteur de type P à un semi-conducteur dans lequel le nombre volumique des accepteurs est prépondérant. RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 16/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif Jonction P-N Le dopage non uniforme d'un semi-conducteur, qui met en présence une région de type n et une région de type p, donne naissance à une jonction P-N. Une telle jonction est aussi appelée diode. Dans la présente section, on étudie, qualitativement, les phénomènes qui ont pour siège la jonction P-N. On donne également la relation exponentielle qui lie courant et tension dans une telle jonction. Description Soit le semi-conducteur à dopage non uniforme ci-dessous qui présente une région p à nombre volumique d'atomes accepteurs constant, suivie immédiatement d'une région n à nombre volumique de donneurs constant également. La surface de transition entre les deux régions est appelée jonction P-N abrupte. Du fait de la continuité du réseau cristallin, les "gaz" de trous de la région P et d'électrons de la région N ont tendance à uniformiser leur concentration dans tout le volume à disposition. Cependant, la diffusion des trous vers la région N et des électrons libres vers la région P provoque un déséquilibre électrique si bien que, dans la zone proche de la jonction, la neutralité électrique n'est plus satisfaite. On trouve, dans la région P, des atomes accepteurs et des électrons, soit une charge locale négative, et dans la région N, des atomes donneurs et des trous, soit une charge locale positive. Il s'est donc créé un dipôle aux abords de la jonction et, conjointement, un champ électrique. Une fois l'équilibre atteint, ce champ électrique est tel qu'il s'oppose à tout déplacement global de charges libres. Définitions La région dans laquelle la neutralité n'est pas satisfaite est appelée zone de déplétion ou zone de charge spatiale alors que les autres régions sont dites régions neutres. Le champ électrique interne créé par le dipôle est nommé champ de rétention de la diffusion car il s'oppose à toute diffusion des charges mobiles. Remarque : généralement, la concentration des charges mobiles dans la zone de charge spatiale est négligeable vis-à-vis du nombre volumique des charges fixes. On idéalise cet état de fait et l'on admet qu'il n'y a pas de charges mobiles dans la zone de déplétion. RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 17/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif • Barrière de potentiel Il existe, entre la région P et la région N, une barrière de potentiel UB0 énergétique pour les charges mobiles. L'existence de cette barrière se traduit par une différence de potentiel électrique liée au champ de rétention de la diffusion. Exemple : pour une jonction P-N au silicium avec un dopage NA=1018cm-3 dans la région p et un dopage ND=1017cm-3 dans la région n, la hauteur de la barrière de potentiel à 300 K (27° C) à l'équilibre vaut 872mV. Remarque : la hauteur de la barrière de potentiel à l'équilibre est telle que les trous qui sont dans la région p ont une énergie moyenne qui est juste assez insuffisante pour leur interdire de passer la barrière de potentiel. Il en va de même pour les électrons qui se trouvent dans la région n. Comportement de la jonction sous une tension Si l'on applique une tension U à la jonction, cette tension se reporte presque entièrement à la zone de déplétion qui présente une résistivité très grande due à la quasi-absence de charges mobiles. Une tension U négative renforce le champ de rétention de la diffusion et augmente, par conséquent, la hauteur de la barrière de potentiel, de telle sorte qu'aucune charge libre ne traverse la zone de charge spatiale. Au contraire, si l'on applique une tension U positive, le champ électrique de rétention de la diffusion est diminué et les charges mobiles qui ont une énergie supérieure à celle que représente la hauteur de la barrière de potentiel peuvent traverser la zone de charge spatiale. Ces situations sont résumées dans le schéma cicontre. RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 18/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif L'application d'une tension qui diminue la hauteur de la barrière de potentiel par rapport à l'équilibre est appelée polarisation directe par opposition à la polarisation inverse qui augmente la hauteur de la barrière de potentiel par rapport à l'équilibre. • Caractéristique électrique I=f(U) • Une polarisation directe permet le passage d'un courant électrique dans la jonction alors qu'une polarisation inverse l'empêche. Simultanément, un "courant de trous" et un "courant d'électrons" se superposent. Le résultat en est un courant unique, et l'on peut montrer qu'il peut s'exprimer sous la forme : où le courant IS est appelé courant inverse ou de saturation. C'est la valeur asymptotique du courant traversant la jonction en polarisation inverse ; • UT est la tension thermodynamique qui vaut UT=kT/e où k est la constante de Boltzmann, T la température absolue en K et e la charge électrique élémentaire. A 25°C, UT=25mV ; • n est le coefficient d'émission. Il dépend du matériau, voisin de 1 dans les jonctions de transistors au silicium et dans les diodes au germanium, et compris entre 1 et 2 dans les diodes au silicium. • On obtient donc la caractéristique suivante : Remarque : le courant inverse de saturation des jonctions au Silicium est de l'ordre de grandeur de 10-12 à 10-15A de telle sorte qu'on peut généralement le considérer comme nul en polarisation inverse. RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 19/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif Diodes à jonction et Diode Zener Identification des bornes Caractéristique et modèle de la diode à jonction RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 20/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif La diode Zener Les diodes Zener sont souvent utilisées pour la stabilisation de tension. Dans le chapitre consacré aux alimentations, on va traiter les stabilisateurs à base de diode Zener. RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 21/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif Les filtres RC – RL La cellule ou filtre RC : Cela va vous étonner mais on peut très simplement réaliser un filtre avec un condensateur et une résistance. Voyons comment un tel circuit se comporte quand il est soumis à l'action d'une tension alternative La résistance se comporte comme toute résistance en présence de tension, qu'elle soit continue ou alternative, elle résiste. La capacité, elle, présente une réactance qui est dépendante de la fréquence et de la valeur de la capacité. Quand la fréquence croît, la réactance de cette capacité décroît, inversement, quand la fréquence décroît, la réactance de la capacité augmente. Aux fréquences basses, la réactance du condensateur Atténuation est très élevée, on peut le considérer comme un circuit ouvert, le circuit n'atténue pas, aux fréquences élevées, la réactance du condensateur est faible, on peut le considérer comme un court-circuit, le circuit atténue fortement. Nous sommes en présence d'un filtre passe-bas. En inversant les composants, nous obtiendrions, selon la même logique, un filtre passe haut. Fréquence Typologie des filtres RC On distinguera le filtre passe-bas et le filtre passe haut, les filtres passe bande et coupe bande étant réalisé par des combinaisons des éléments précités. Filtre passe-bas Filtre passe-haut Fréquence de coupure des filtres RC : Nous trouvons, à gauche, la courbe de réponse traditionnelle d'une cellule RC passe-bas. La fréquence de coupure du filtre sera la fréquence à laquelle l'amplitude du signal de sortie atteindra 70,7 % de l'amplitude initiale du signal. Ceci est naturellement valable tant pour les filtres passe-bas que passehaut. On calculera la fréquence de coupure des ces filtres par la relation suivante : Avec Fo en Hz R en C en F Vous pouvez légitimement vous demander d'où viennent ces 70,7%. Explications : On détermine la fréquence de coupure des filtres à -3 dB, c'est une norme, ceci signifie que l'on mesure la fréquence du signal quand l'amplitude a chuté de 3dB (idem pour un amplificateur, sa bande RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 22/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif passante est donnée à 3dB) et ces 3 dB correspondent au passage de 100% de signal à 70,7 %. Donc pour déterminer quelle sera l'amplitude d'un signal connu quand ce signal chute de 3dB, il suffira d'appliquer indifféremment l'une ou l'autre des formules suivantes : La cellule ou filtre RL : De même que nous avons réalisé des filtres avec des résistances et des condensateurs, nous allons pouvoir fabriquer des filtres avec des résistances et des selfs suivant un principe identique. L'inductance, comme vous le savez depuis longtemps, présente une réactance au courant alternatif. Sa loi de progression est dictée par la célèbre relation Xl = L avec = 2 f. En clair quand la fréquence croît, la réactance croît et la self est un filtre passe-bas naturel à l'instar du condensateur qui est un filtre passe-haut naturel Filtre passe-bas Filtre passe-haut Dans ce filtre, la réactance du self étant faible aux basses fréquences, celles-ci seront transmises pratiquement sans d'atténuation. Une fois que la fréquence croît, Xl croît aussi ce qui atténue la transmission. Ce filtre se comporte en passe-bas Inversement ici nous avons affaire à un passe-haut car aux basses fréquences, l'inductance court-circuite celles-ci vers la masse. Quand la fréquence croît, la réactance croît et son effet de court-circuit s'estompe, permettant ainsi la transmission. Fréquence de coupure des filtres RL : Comme pour les cellules RC, les cellules RL ont une fréquence de coupure comme cela est symbolisé sur la figure ci-contre et cette fréquence de coupure est déterminée à -3 dB. La seule différence est que la formule de calcul de celle est différente. Pour déterminer cela nous appliquerons pour les cellules RL passe-haut ou passebas la formule suivante : Avec R en F en Hz L en H De même, comme pour les cellules RC, on pourra déterminer les tensions à - 3dB en appliquant les formules suivantes qui sont identiques pour tout type de cellule. ou RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 23/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif Astuces pour retrouver les formules Les formules ne sont pas le fait de la génération spontanée et il est souhaitable de pouvoir les retrouver en cas d'oubli : La fréquence de coupure sera la fréquence à laquelle la réactance (selfique ou capacitive) sera égale à la résistance. En d'autres termes, la fréquence de coupure d'un filtre RC sera atteinte quand : Xc = R soit 1/C = R (avec = 2 f) soit RC = 1 ce qui équivaut à 1= RC2 f soit f= 1/RC2 Le même raisonnement vaut bien sûr pour le circuit RL : Xl = R soit L = R (avec = 2 f) soit L2 f = R soit f = R/2 L Calcul de l'atténuation à une fréquence considérée : Nous l'avons déjà dit, le filtre RC forme un pont diviseur. Nous ferons le calcul d'atténuation à la fréquence de coupure de manière à fournir un exemple dont le résultat est connu. Nous pouvons écrire ceci : Il y a proportionnalité entre les tensions présentes comme l'indiquent les formules ci-contre. La tension de sortie du filtre divisée par le tension d'entrée présente le même rapport que la réactance divisée par l'impédance du circuit. Nous calculerons l'impédance d'une manière très classique et que nous connaissons bien (c'est du classique Pythagore). Dans notre exemple, nous calculons l'atténuation à Fc ce qui veut dire, par définition que X = R, nous remplacerons systématiquement, dans les formules, X par R et ceci nous donnera : RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 24/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif Les alimentations Nos appareils, nos montages, nos installations d'émission réception fonctionnent grâce à de l'énergie. Il n'y a pas de miracle ni de génération spontanée (hélas) et cette énergie nous la tirons principalement du réseau électrique mis à notre disposition . La problématique : L'électronique que nous utilisons fonctionne avec du courant continu et le réseau électrique nous fournit du courant alternatif 230V 50 Hz. Il va donc falloir transformer ce courant alternatif en continu et modifier la valeur fournie en valeur désirée. FS1 : fonction adaptation en tension Nous avons donc du 230V et nous avons besoin d'une tension de 15V. Nous allons utiliser un transformateur abaisseur. L'enroulement primaire sera connecté au secteur on y adjoindra, avec profit, un fusible qui le protégera efficacement en cas de court-circuit. Comme nous y sommes, on placera un interrupteur pour la mise en route ou la déconnexion du réseau. Vous voyez cela se monte très tranquillement. Transformateur : Appareil statique à induction électromagnétique destiné à transformer un système de courants variables en un ou plusieurs autres système de courant variable d’intensité et de tension généralement différentes et de même fréquence. Transformateur simple Transformateur point milieu Calculs simplifiés d'un transformateur : Rapport de transformation : Si N1, Ve sont le nombre de spire et la tension au primaire, N2 et Vs pour le secondaire. Le rapport de transformation est : RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 25/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif Puissance du transformateur (en VA « VOLT/AMPERE ») Au niveau du primaire Au niveau du secondaire Rendement En théorie : =Z[[\ En pratique : ]= 80% FS2 : fonction redressement Bon, nous plaçons notre voltmètre en position alternative, nous fermons l'interrupteur et nous mesurons 15V de tension efficace au secondaire. Parfait, tout fonctionne. Maintenant il nous faut transformer ce courant alternatif en continu. Une fois encore nous allons utiliser quelque chose de connu, à savoir une diode. Voici le montage. Nous avons placé une résistance pour charger le montage. Observons à l'oscilloscope ce que nous avons au secondaire du transformateur. Nous observons ceci, maintenant plaçons la sonde de notre oscilloscope aux bornes de la résistance. Remarque en passant, nous allons bien sur relever une tension aux bornes de R et cette tension sera l'exacte reflet du courant. Nous constatons la présence de tension aux bornes de R pour les alternances positives. Ceci s'explique facilement, la diode comme vous vous en souvenez n'est conductrice que dans la mesure ou l'anode est plus polarisée que la cathode d'une valeur de 0,7V approximativement. Amusons nous à observer, toujours grâce à notre oscilloscope l'allure de la tension aux bornes de la diode. Nous observons une tension de 0,7V à l'alternance positive, car la diode conduit et la pleine tension inverse quand la diode est bloquée. Nous constatons également que le courant ne circule plus que dans un seul sens. C'est du courant continu. Ce montage est appelé montage redresseur demi-onde ou mono alternance A ce stade de nos connaissance nous pouvons faire quelques observations pratiques : La diode étant en série avec la charge, le courant de diode est égal au courant de charge, ceci nous amène à une limitation qui est le courant maximal supporté par la diode. Il faudra dimensionner celle-ci en conséquence • • La tension moyenne fournie par un tel redresseur vaut : Ucrête U = ______ Dans notre cas, nous avions 15V de tension alternative efficace ce qui nous donne 15 x1.41 = 21.15V crête donc la tension moyenne continue sera 21.15/3.14 = 6.7 V. Connaissant la valeur de la résistance de charge, on en déduit le courant qui circule. RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 26/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif La diode quand elle n'est pas passante est exposée à la pleine tension inverse. Il faudra tenir compte de cette valeur pour le choix de la diode. • • La fréquence d'ondulation de la tension de sortie vaut celle du secteur (50 Hz ) Nous ne bénéficions que d'une alternance sur deux, la conduction de la diode est limitée à 180°, ce n'est pas très efficace, de plus notre tension ondule fortement, elle est dans l'état actuel des choses inexploitable pour nos applications qui réclament des tensions propres, stables et bien filtrées. Le redresseur double alternance : Nous avons rajouté une diode et la charge est maintenant connectée entre le point commun des diodes et le point milieu du transformateur. Il est obligatoire d'avoir un point milieu sur le transformateur pour pouvoir effectuer ce type de montage. Voyons comment un tel montage fonctionne : Considérons que l'alternance positive se développe sur la branche supérieure. Cette tension se développe entre le point milieu et l'extrémité de l'enroulement. La diode D1 est donc polarisée pour être passante. Le courant circule dans D1 et R et reboucle par le point milieu du transformateur. Tout ceci fonctionne jusqu'au moment où la décroissance de tension fait que la tension devient nulle puis s'inverse. Aux bornes de notre secondaire à point milieu, nous avons des tensions symétriques et opposées. Si nous avons l'alternance positive sur une branche, nous avons l'alternance négative sur l'autre. C'est ce qui est représenté par les signes +/-. Maintenant c'est la diode D2 qui est polarisée en directe et qui conduit. Remarquez que le sens de passage du courant est le même, donc de même polarité. Il s'agit bien maintenant de courant continu, et nous avons bien effectué un redressement double alternance. RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 27/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif Allure de la tension redressée : On mesure bien sur cet oscillogramme que nous avons "redressé" les deux alternances. Notre tension ondule toujours, d'ailleurs ce n'est pas le rôle du redressement que de corriger cela soit dit en passant, mais nous exploitons pleinement maintenant notre source d'énergie. Voyons maintenant en valeurs chiffrées quels ont été les gains obtenus par l'ajout de cette deuxième diode. • La valeur moyenne de la tension continue s'établit à : 2 Ucrête U = ______ On voit ainsi que ce type de redresseur est deux fois plus efficace que le redresseur mono alternance. les remarques faites concernant la tension inverse max sont toujours d'actualité avec ce montage, toutefois le courant dans chaque diode est moitié moindre par rapport au redresseur mono alternance. • • La fréquence d'ondulation de la tension de sortie vaut 2 fois celle du secteur. Redresseur en pont de Greatz: C'est le montage le plus répandu car il est plus facile de rajouter deux diodes que de trouver un transformateur à point milieu. On trouve depuis de nombreuses années des ponts de diodes intégrés pour toutes les puissances imaginables, ceci simplifie grandement la fabrication d'une alimentation Dans ce type de montage, on se contente d'un transformateur classique sans point milieu ce qui est très pratique. Les alternances positives et négatives se développent donc entre les extrémités de l'enroulement secondaire. Essayons de suivre le cheminement du courant dans ce type de redresseur. Supposons que le potentiel le plus élevé soit durant l'alternance positive sur le haut de l'enroulement, c à d au point commun de d1 et d4. d1 est polarisée en direct donc passante, d4 est bloquée. Le courant circule donc dans d1, la résistance de charge puis passe dans d2 toujours polarisée en direct et le circuit est bouclé. Maintenant l'alternance s'inverse, le potentiel le plus élevé apparaît au point commun de d2-d3. d3 est passante d2 bloquée. Le courant circule dans d3, d1 est bloquée, puis la résistance de charge et le circuit se boucle par d4 polarisée en direct. Vous constatez que le courant a circulé dans le même sens durant le cycle, sur les deux alternances. Ce redresseur en pont introduit 2 fois la chute de tension d'une diode (0,7V) puisque nous avons deux diodes conductrices par alternance. RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 28/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif Résumons les caractéristiques de ces redresseurs : Caractéristiques Redresseur mono alternance Redresseur à point milieu Redresseur en pont Diodes 1 2 4 Courant par diode I charge I/2 charge I/2 charge Tension inverse de crête Tension crête secondaire Tension crête secondaire Tension crête secondaire Fréquence d'ondulation F secteur 2 F secteur 2 F secteur L'alimentation haute tension : Le redresseur d'une alimentation haute tension ne diffère en rien, quant au principe, d'une alimentation basse tension. Toutefois, eu égard aux très hautes tensions mises en jeu, nous devons recourir à des astuces pour parvenir à nos fins. Les problèmes rencontrés : Supposons le problème du transfo résolu, on ne trouve pas de diodes supportant les tensions demandées. Si nous voulons réaliser une alimentation fournissant 2500 V sous 500 mA nous devrons ruser et mettre plusieurs diodes en série. Mais ce genre d'acrobatie ne se réalise pas simplement car une multitude de petits problèmes surgissent à ce moment là. On aura donc recours pour chaque branche du pont au montage suivant : Voici représentée ici une branche du pont. Les diodes ont des PIV de 1000 V. Le PIV est la tension de pointe inverse max supportable. Le condensateur en parallèle sur chaque diode la protège les pointes de tension transitoires et les résistances, par la chute de tension qu'elles procurent, égalisent les tensions car nous ne sommes jamais surs que la résistance directe soit identique pour les quatre diodes. Dans les résistances va circuler un courant, il faudra donc dimensionner, en puissance, celles-ci de manière à ce qu'elles ne partent pas en fumée. De même la tension max supportable par ces résistances devra être prise en compte. Comme vous pouvez le constater, ce n'est pas une mince affaire. FS3 : fonction filtrage Nous avons en sortie du redresseur une tension continue, certes, mais une tension qui ondule abominablement. Sur un redresseur double alternance ou un redresseur en pont cette ondulation atteint la fréquence de 100 Hz et ceci n'est pas exploitable par nos systèmes qui exigent une tension stable et exempte de ronflements. A votre droite, l'allure de cette tension. Nous allons utiliser pour gommer ceci un filtre composé d'un ou de condensateurs. RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 29/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif Ce condensateur est positionné immédiatement après le redresseur et immédiatement avant la charge R. Comment cela fonctionne t-il et quel est le résultat obtenu par l'adjonction de ce composant ? Observez le résultat obtenu, la tension récupérée est dessinée en rouge. Quand la tension issue du redresseur est apparue, le condensateur s'est chargé à la valeur de la tension crête. Quand la tension commence à décroître, le condensateur se décharge dans la charge R en lui fournissant bien sur de l'énergie à une constante de temps dictée par le produit RC (t = R.C) "l'alternance" suivante arrive et recharge le condensateur et ainsi de suite. La figure de gauche vous indique la tension que voit la charge. Note importante : Supposons que notre transformateur, dans l'exemple ci dessus, sorte une tension alternative efficace de 12V, si nous négligeons les pertes dans le pont (1,4V) et si nous mesurons la tension continu avec un voltmètre idoine, nous lisons : 16,92 V ! Il n'y a pas de phénomène de génération spontanée (hélas) c'est seulement que le condensateur "intègre" la valeur max de la tension efficace, donc 12 x 1,41 = 16,92 V (1,41 étant la racine de 2). On peut calculer la tension d'ondulation résiduelle connaissant le courant demandé et la capacité utilisée I Vond = _______ f.C Avec I = courant de charge en A f = fréquence d'ondulation (100 Hz en F pour un redresseur double alternance) C = capacité en F Calcul approximatif de la valeur du condensateur de filtrage Sa valeur va dépendre de quelques paramètres tels que l'ondulation maximum souhaitée, le débit dans la charge, le type de redresseur. la formule globale de calcul sera : avec I = courant de charge t = période de la pulsation de l'ondulation Vond = valeur de l'ondulation en valeur crête à crête I.t C = ______ Vond C en Farad Par un petit exemple pratique pour se mettre les idées au clair. Nous poserons les exigences suivantes : I=2A tension de ronflement = 2% de la tension de sortie tension de sortie : 13,8 V redresseur en pont double alternance Calculons la valeur crête à crête de l'ondulation. Nous avons posé 2% de 13.8V ce qui donne 0,276 V soit en Crête à Crête 2,76 x 2,82 = 0,78 V • Calculons la période de l'ondulation du redresseur à la fréquence réseau de 50 Hz, ceci nous • RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 30/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif donnera une fréquence en double alternance de 100 Hz et une période 1/f de 0,01 s • il ne nous reste plus qu'à appliquer la formule ci-dessus, il vient C = 2x0,01/0,78 = 0,0256 F soit à peu près en prenant la valeur normalisée 25000 =F Cette capacité vous semble énorme pour un courant somme toute réduit, c'est vrai mais nous avons exigé une ondulation très faible. En pratique on agira un peu différemment en acceptant plus d'ondulation et en adoptant un système de régulation série qui gommera tout cela. Quelques précautions à prendre : A la mise sous tension, le condensateur de filtrage est déchargé, et lorsque vous allez fermer le circuit primaire du transformateur, le condensateur va se présenter comme un véritable courtcircuit et absorber un énorme courant. Ce sont les diodes qui vont en pâtir (et fortement), il est recommandé dans le cas d'alimentation de forte puissance de prévoir un système de démarrage "soft" qui limitera le courant. C'est mieux pour les diodes et le ou les condensateurs. Ce système fait en général appel soit à des résistances en série que l'on court-circuite en fonctionnement normal, soit à un système de prises sur le primaire pour limiter la tension. Cette dernière remarque est particulièrement vrai pour les alimentations haute tension. Autres types de filtres utilisés : Pour mémoire on trouvait il y a encore peu de temps des cellules RC pour éliminer l'ondulation. On partait du principe que la résistance R devait être grande devant la réactance du condensateur à la fréquence d'ondulation. L'inconvénient majeur et que dès lors que l'on place une résistance et que celle-ci est parcourue par un courant, il y a chute de tension. • Autre filtre, le système Self-Capacité, beaucoup plus efficace sur le plan énergétique. l'ondulation chute dans la réactance de la self et celle-ci si elle est correctement dimensionnée ne consomme que très peu de puissance, consommation due à sa résistance ohmique. On trouvait ce type de filtrage essentiellement sur les alimentations haute tension. • Alimentations particulières : Les multiplicateurs de tension : Vous admirez ci-dessus le schéma d'un doubleur de tension demi-onde. Essayons de voir comment ce circuit fonctionne. Supposons que nous démarrions sur l'alternance négative, la diode D1 est donc conductrice et C1 se charge à la valeur 1,41 U. (souvenez-vous de la remarque sur la propriété du condensateur d'intégrer la tension max). Parallèlement D2 est bloquée puisque polarisée dans le sens non passant. Nous passons maintenant à l'alternance positive. La diode D1 est bloquée tandis que D2 conduit, chargeant le condensateur C2. Mais ce n'est pas fini car cela n'aurait rien de spectaculaire. C2 se charge et vient se rajouter à cette charge la charge de C1. C'est comme si nous avions mis en série le transfo et la charge de C1. On retrouve en sortie la charge de C1 + C2 soit 2,8 U ( U étant la tension efficace délivrée par le transformateur) Bon ce montage, bien que commode souffre de petits problèmes quand même. Par exemple si vous connectez une charge au montage, ce qui est quand même le but recherché, vous constaterez que la tension n'est pas très stable car C2 se décharge très tranquillement durant le cycle négatif, on peut considérer que l'on a qu'un 1/2 cycle de recharge, c'est insuffisant. Ceci nous amène très naturellement vers le : Doubleur de tension onde entière : RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 31/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif Voilà la bête, vous noterez que ce n'est pas plus complexe que le doubleur demi-onde. La source de tension alternative est reliée au point commun des diodes et au point commun des condensateurs. Prenons l'alternance positive pour commencer, D2 est bloquée tandis que D1 conduit, chargeant C1. A l'alternance négative, D2 conduit tandis que D1 est bloquée. C2 se charge. C1 et C2 sont chargés à la valeur 1,41 Ueff et sont en série. Les tensions s'ajoutent, nous avons bien réalisé un doubleur. Ce montage présente une meilleure "régulation" de la tension de sortie que le montage demi-onde. Voilà, ce n'était pas méchant. Quelques considérations pratiques : Plus on veut de courant, plus la capacité de filtrage doit être importante. Si on veut beaucoup de courant, il faut que l'ensemble de la chaîne soit susceptible de fournir de la puissance, cela paraît évident et pourtant. Cas des alimentations haute tension. Qui dit haute tension veut aussi souvent dire débit modéré et capacité de filtrage pas trop colossale. Par exemple pour un amplificateur de 1000W alimenté sous 2200V et 800 mA de débit on considère qu'une capacité de 10=F est convenable. Le véritable problème consiste à trouver une capacité pouvant offrir l'isolement nécessaire avec un bon coefficient de sécurité. Alors comme d'habitude, le génie du radioamateur pallie la faiblesse de l'approvisionnement. On aura recours aux condensateurs montés en série. Cette opération ne se réalisera pas sans quelques précautions car il faudra égaliser les tensions aux bornes des condensateurs par des résistances (on ne maîtrise pas la résistance directe des condensateurs). Sans cette précaution, il y a de fortes chances que d'énormes disparités de tension apparaissent et qu'un ou plusieurs condensateurs explosent par dépassement de la tension d'isolement Naturellement on mettra le nombre de condensateurs voulu pour assurer l'isolement plus quelques uns par sécurité. RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 32/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif FS4 : fonction régulation Schéma fonctionnel d'un régulateur série Un circuit régulation série comporte les éléments suivants : • une source de référence (Vréf) fournie une tension aussi indépendante que possible de la tension d’entrée Ue. • un amplificateur de comparaison (A), qui compare la tension de référence à un échantillon de la tension Us, pour agir sur un organe de commande ou ballast (B). • le ballast (B) agit sur la tension de sortie suivant la commande donnée par l’amplificateur de comparaison. • les résistances R1 et R2, permettent d’obtenir un échantillon de la tension de sortie. Principe de fonctionnement d'une alimentation à découpage Une régulation à découpage permet d’améliorer le rendement et de réduire la dissipation thermique du régulateur. La tension du secteur est redressée et filtrée puis hachée à fréquence élevée par le commutateur électronique K. Le commutateur K est un transistor fonctionnant en commutation sous l’action d’un signal de découpage fourni par le circuit de commande. Le circuit de commande fait varier le rapport cyclique et la fréquence du signal commandant K, c’est à dire le rapport du temps de commutation à la durée de la période pour maintenir la tension Us constante. La tension hachée est appliquée au primaire d’un transformateur dont le secondaire fournit, après redressement et filtrage, la tension continue régulée. RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 33/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif Exemple d'application : le régulateur de tension à découpage TL497 Le circuit TL 497 est un circuit monolithique intégrant tous les éléments nécessaires à la réalisation d’une alimentation à découpage de faible puissance. Le circuit comporte une référence de 1,2V, un générateur d’impulsions à fréquence variable, un dispositif de limitation de courant et un transistor de commutation. Schéma de principe et réalisation d’une alimentation à découpage RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 34/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif Le transistor bipolaire Technologie Transistor bipolaire type NPN : Transistor bipolaire type PNP : Remarque : VCE et VBE étant négatives, on prendra en général VEC et VEB. Fonctionnement du transistor bipolaire NPN en commutation Le fonctionnement du transistor en commutation est un fonctionnement en tout ou rien, c'est à dire : RAM Academy • IC existe alors VCE = 0 • IC n'existe pas alors VCE > 0 Référence :TA.1.04.1.001 Page 35/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif Bien souvent on idéalise la courbe de saturation du transistor en la confondant avec l'axe IC. C'est ce que nous faisons en traçant dans le réseau de sortie la droite de charge statique du montage. Le transistor fonctionne en commutation, le point de fonctionnement du transistor se situera : • en B : Transistor bloqué, IC = 0, VCE = VCC, et étant donné la relation du transistor bipolaire IC = . IB donc IB = 0. • en S : Transistor saturé, IC = ICsat = VCC / RC et IB = IBsat = ICsat / mini. Calcul de la résistance RBmax si IC = 10mA, VCC = 10v et mini = 100. La valeur de RC : comme mini = 100, on a : Donc RBmax : Choisir la valeur normalisée inférieure,par exemple dans la série E12 : Coefficient de sursaturation Noté : ce rapport varie de 3 à 10 Si K est connu, on utilise la formule suivante : Démonstration vérifiant le fonctionnement d'un transistor 1. Calculer IC, transistor considéré saturé ( prendre VCEsat ). 2. Calculer IB, IB = IC / mini. 3. Calculer IB réel : RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 36/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif Vérification des transistors Test d'un transistor NPN : Multimètre utilisé en testeur de jonction ( indique "1" si le circuit est ouvert ). Connecter la borne + d'un multimètre sur la base du transistor puis passer successivement la borne sur l'émetteur et sur le collecteur. Dans ce cas, les deux jonctions sont testées en direct ( affichage 0,6v ). Connecter la borne - du multimètre sur la base, et passer la borne + sur le collecteur puis l'émetteur. Dans ce cas, les deux jonctions sont en inverses l'indication doit être "1". Test d'un transistor PNP : Identique à un transistor NPN, à cela près qu'il faut intervertir les bornes du multimètre. Borne - sur B et borne + sur E et C alors affichage 0,6v. Borne + sur B et borne - sur E et C alors affichage "1". RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 37/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif Transistor à effet de champ Technologie d'un transistor à effet de champ Constitution Le transistor est réalisé sur un support de silicium P appelé SUBSTRAT. Sur ce support, une zone N est constituée presque totalement séparée en deux par une zone P appelée GRILLE et qui est reliée électriquement au substrat. La partie du semi-conducteur N située entre la grille est le subtrat est extrêmement mince, cette partie est appelée CANAL. Aux deux extrémités du canal sont soudées des connexions : la SOURCE et le DRAIN. Ce composant existe aussi avec le CANAL en silicium de type P. Dans ce cas, les autres zones sont de type N. Symboles d'un TEC à jonction Principe de fonctionnement en commutation Le TEC canal N doit fonctionner avec une tension VGS négative alors que la tension VDS est positive. Montage d'utilisation : La tension, entre la source et le drain et l'intensité du courant ID doivent pouvoir varier spontanément quand la tension VGS est modifiée. Pour cela, une résistance RD est placée dans le circuit de sortie. Le montage est dit à source commune. RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 38/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif Droite de charge : L'application de la loi des mailles au circuit de sortie, nous donne : VDD - RD . ID - VDS = 0 Cette équation écrite sous la forme ID=f(VDS) est l'équation de la droite de charge : ID = ( VDD - VDS ) / RD La droite de charge coupe les axes en deux points : l'axe des courants en A : ( 0 ; VDD/RD ) l'axe des tensions en B : ( VDD ; 0 ) RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 39/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif Les deux états statiques : Etat bloqué (interrupteur ouvert) : VGS est inférieure ou égale à VP0 (tension de pincement) S'est le point B : on a donc VDS = VDD et ID = 0 Etat saturé (interrupteur fermé) : VGS est supérieure VP0 (tension de pincement) S'est le point A : on a donc VDS = VDSsat environ 2v et ID = VDD / RD Caractéristiques Réseaux de caractéristiques : Pincement de tension : Pour VGS égale ou inférieure à - 5v, l'intensité du courant reste nulle quelle que soit la valeur de la tension source drain : cette valeur de VGS est une tension de blocage (du courant). En anglais, elle est appelée pinch-off voltage (VP0) pincement de tension. La tension de pincement ne figure pas dans la documentation du constructeur on peut la déterminer approximativement par la relation : VP0 = I VGSoff I + 0,9v avec VGSoff tension de blocage grille source donnée dans la documentation technique. RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 40/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif Les trois montages fondamentaux Nous avons des besoins variés en électronique. Nous savons depuis l'étude sur les générateurs qu'ils soient continus ou alternatifs que ceux-ci ont une résistance interne Ri ou impédance propre Zi (le i désigne Input-Entrée). Quand nous couplons un générateur à un récepteur (une résistance par exemple), nous essayons de transférer le maximum de puissance et c'est là que les impédances entrent en jeu. Essayons de modéliser simplement un générateur de tension alternative "u" d'impédance Zi transférant son énergie à un récepteur d'impédance R (ce récepteur R pourrait être l'impédance d'entrée d'un étage à transistor). Nous comprenons intuitivement que le générateur de tension charge un pont diviseur formé par Zi et R. Si par exemple Zi est beaucoup plus grand que R, toute la tension fournie par le générateur va se développer aux bornes de son impédance interne, le récepteur ne verra pratiquement rien. On mesure donc qu'il sera parfois nécessaire d'avoir des montages amplificateurs ayant des caractéristiques d'entrée-sortie différentes. Ceci nous est donné par trois montages fondamentaux du transistor en amplificateur. En avant-propos, retour sur les condensateurs : Nous avons vu, lors de l'étude préliminaire de l'amplification que les signaux à amplifier étaient acheminés vers l'entrée du montage par un condensateur, nous avions aussi précisé que la valeur de ce condensateur n'était pas choisie au hasard. On peut utiliser le condensateur d'une autre manière, cette fois-ci, il sera chargé de dériver les signaux alternatifs vers la masse, il deviendra un condensateur de découplage. Placé entre émetteur et masse, il va envoyer les signaux alternatifs vers la masse ce qui aura pour effet d'augmenter fortement le gain de l'amplificateur. En observant le montage, et en imaginant que Ce est déconnecté, vous remarquerez que Ie varie comme IC, ce n'est pas une nouveauté. Cette variation de Ie provoque bien entendu une variation de la tension aux bornes de Re (Ure= Ie x Re). Cette variation tend à diminuer la polarisation de la jonction Vbe au rythme des variation de Ie. Branchons Ce, le condensateur élimine complètement la composante alternative, la tension Ure est stable, le gain croît. RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 41/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif Le montage émetteur Commun : On l'appelle ainsi car du point de vue alternatif, l'émetteur est à la masse par l'intermédiaire du condensateur de découplage Ce. De ce fait il se trouve être commun à l'entrée et à la sortie. Ce type de montage est certainement celui qui est le plus utilisé. Nous avons déjà étudié le fonctionnement mais rappelons que la tension à amplifier est superposée à la polarisation continue. Vbe augmente ce qui fait croître Ic. Quand Ic croît la chute de tension Rc x Ic croît également. Parallèlement si Rc Ic croît, la tension Vce diminue. Au demi-cycle suivant c'est l'inverse qui se produit, Rc Ic diminue, Vce augmente. On constate donc qu'à une augmentation de la tension d'entrée, correspond une diminution de la tension de sortie. Attention, notez que Le montage Emetteur Commun pour les la tension de sortie est beaucoup plus raisons que nous venons d'expliquer déphase le élevée que la tension d'entrée, car nous signal de 180° avons réalisé un amplificateur. Ici nous parlons de la phase du signal pas de son amplitude. D'où vient le gain ? Des variations de IC, ce qui provoque des variations de Urc que l'on récupère grâce à un condensateur. Les variations de Ic sont produites par la tension d'entrée qui déplace le point de repos sur la droite de charge du transistor. Comment calculer le gain ? Le gain peut être défini comme le On notera que l'amplification A : Vo rapport des variations de la tension de A = ________ sortie sur les variations de la tension Vi d'entrée Nous avions déjà évoqué la résistance Nous pourrons très facilement calculer A comme r'e qui avait pour valeur : suit : 25 r'e = ______ Ie avec Ie en mA Rc A = - ________ r'e Cette relation est hyper importante Ici le signe "-" indique que le signal de sortie est car elle vous fournit toutes les clefs déphasé de 180° par rapport au signal d'entrée de l'amplification Notre transistor a une impédance d'entrée : RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 42/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif Sans démonstration, nous retiendrons avec // = parallèle Zi = Z input (entrée) Zi = R1 // R2 // r'e Notre transistor a une impédance de sortie : Toujours sans démonstration, nous retiendrons : Zo = Z output (sortie) Zo = Rc Et un exemple pour stabiliser tout ceci : Voici le montage, on ne se préoccupera pas de la valeur des condensateurs que l'on considérera se comporter comme des courts-circuits en alternatif. Nous allons calculer, la valeur de l'amplification, l'impédance d'entrée, l'impédance de sortie. 1 - Nous voulons calculer la valeur de r'e, pour ce faire, nous devons connaître Ie. Calculons la tension sur la base Vb 3300 Vb = _____________ x 12 = 2,59V 3300 x 12000 2 - Calculons la tension Ve sur l'émetteur 3 - Calculons Ie Ve = Vb - 0,7 = 1,89V Ie = Ve/re = 1,89/ 1200 = 1,57 mA 4 - Nous pouvons maintenant calculer r'e 25 25 r'e = _____ = _______ = 16 Ie 1,57 5 - Calculons l'amplification A = Rc/ r'e = 2700/ 16 = 169 6 - Calculons l'impédance d'entrée Zi = R1//R2 (approximativement) Zi = 2588 7 - Calculons l'impédance de sortie Zo = Rc Résumé des caractéristiques l'amplificateur Emetteur commun RAM Academy de Zo = 2700 • Grand gain • Signal de sortie déphasé de 180° Référence :TA.1.04.1.001 Page 43/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif • Impédance d'entrée moyenne à élevée • Impédance de sortie moyenne à élevée Le montage base commune : La base est à la masse en alternatif par le condensateur, les signaux à amplifier sont envoyés sur l'émetteur et la sortie amplifiée est sur le collecteur. Ne soyez pas perturbé par le fait que l'on injecte les signaux sur l'émetteur, ce qui importe, c'est de produire des variations de tension sur la jonction base émetteur. Sinon pour la polarisation, rien de nouveau, vous connaissez, c'est très classique. Notre transistor a une impédance d'entrée : Sans démonstration, nous retiendrons On voit immédiatement que l'impédance d'entrée est très faible. Zi = r'e Notre transistor a une impédance de sortie : Toujours sans démonstration, nous retiendrons : Zo = Z output (sortie) Zo = Rc Notre transistor a du gain : Nous avions déjà évoqué la résistance r'e qui avait pour valeur : Nous pourrons très facilement calculer A comme suit : 25 r'e = ______ Ie Rc A = ______ r'e avec Ie en mA Ici le signal de sortie est en phase avec le signal d'entrée. Résumé des caractéristiques l'amplificateur base commune de • • • • Grand gain Signal de sortie en phase Petite impédance d'entrée Impédance de sortie moyenne à élevée Le montage collecteur commun ou émetteur suiveur: RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 44/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif Cette fois c'est le collecteur qui est directement relié au plus (pour les signaux alternatifs le + équivaut à la masse) d'où le nom de collecteur commun. Le circuit de polarisation est le classique pont de base. Vous remarquerez que l'émetteur n'est pas découplé, on peut déjà en déduire que le gain sera loin d'être maximum. On utilise ce montage quand on doit coupler une source haute impédance à une charge basse impédance. Notre transistor a du gain : Nous avions déjà évoqué la résistance r'e qui avait pour valeur : Nous pourrons très facilement calculer A comme suit : 25 r'e = ______ Ie Re A = ______ Re + r'e avec Ie en mA Le gain d'un montage collecteur commun est légèrement inférieur à 1 Notre transistor a une impédance d'entrée : Sans démonstration, nous retiendrons : L'impédance d'entrée sera donc majoritairement dépendante du pont de polarisation Zi = R1//R2 Notre transistor a une impédance de sortie : Toujours sans démonstration, nous retiendrons : Zo = Z output (sortie) Résumé des caractéristiques l'amplificateur collecteur commun de Re//R1//R2 Zo = r'e + ____________ • • • • Gain unitaire Signal de sortie en phase Grande impédance d'entrée Petite impédance de sortie Cas particulier du montage à collecteur commun, le Darlignton : Il existe un montage à collecteur commun très répandu, souvent sous la forme d'un seul boîtier à trois broches, appelé Darlington. Constitution : Il s'agit de deux étages collecteurs communs reliés ensemble. RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 45/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif L'intérêt de ce type de montage est d'obtenir un transistor équivalent de = 1 x 2 de plus l'isolement de la charge par rapport à la source est augmenté car l'impédance d'entrée est augmentée et l'impédance de sortie diminuée. Nous avons jusqu'à présent raisonné sur des montages complètement isolés du monde extérieur, or il n'en est pas ainsi dans la vie et tous les montages amplificateurs verront à leur entrée une source et à leur sortie une charge. Nous allons prendre pour notre étude le classique montage émetteur-commun et visualiser ce que voient les courants alternatifs et continus d'un tel montage. Une fois ceci effectué, nous pourrons ramener tous nos montages amplificateurs à de simples modèles. Nous voici ancrés dans la réalité maintenant. Nous avons rajouté une source de tension alternative U ayant une impédance interne ri. A la sortie nous avons connecté une charge RL (L pour Load). Nous allons maintenant, grâce à des règles simples réduire ce schéma à la fois pour le continu et pour l'alternatif à des modèles simples. Pour le courant continu, appliquons ceci : 1 - Court-circuiter les sources de tension alternatives et ouvrir les sources de courant 2 - ouvrir tous les condensateurs. Il reste ceci pour le continu, ce qui nous permet de calculer facilement les tensions et courants continus dans ce montage. Pour le courant alternatif appliquons ceci : 1 - Court-circuiter les sources de tension continues et ouvrir les sources de courant 2 - court-circuiter tous les condensateurs. RAM Academy Référence :TA.1.04.1.001 Page 46/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif et voici ci-dessus ce qui reste pour l'alternatif. Je pense que quelques explications seront utiles. Nous avons court-circuité les sources de tensions continues ce qui a amené R1 à être en // sur R2 et Rc a ramené le collecteur à la masse. Nous avons court-circuité aussi les condensateurs, la charge se retrouve en // sur RC. Concernant l'émetteur, nous avons là aussi court-circuité le condensateur de découplage ce qui a eu pour effet de mettre directement l'émetteur à la masse. Dernière étape, modélisons notre amplificateur : La partie à gauche représente l'entrée du montage où une source de tension u charge un ensemble composé d'une impédance interne ri et d'une charge formée par R1 et R2 en parallèle. Il s'agit d'un classique pont diviseur. La tension d'entrée effective à amplifier sera Vi. La partie à droite représente la sortie côté collecteur. Une source de tension (A x Vi) est appliqué à un pont diviseur formé par la résistance de collecteur et la résistance de charge. La tension effective amplifiée est Vo. Comme vous pouvez le constater, le facteur d'amplification seul (A) ne suffit pas à décrire le comportement de l'étage amplificateur. Une bonne partie de la tension est "perdue" aux bornes des résistances internes. Tableau récapitulatif des caractéristiques des trois montages fondamentaux Emetteur Commun Base Commune Collecteur Commun Moyenne Basse Elevée Impédance variable selon d'entrée polarisation, la Plus elevée qu'un de ordre de grandeur : montage émetteur l'ordre de quelques quelques dizaines commun k Impédance RAM Academy Moyenne Moyenne Référence :TA.1.04.1.001 Basse Page 47/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif égale à Rc ordre de grandeur : quelques dizaines Phase entrée/sortie 180° Phase Phase Gain en tension Elevé Elevé Très légèrement inférieur à 1 Utilisation RAM Academy égale à Rc C'est le montage de Montage utilisé en HF C'est l'adaptateur base, on le retrouve du fait de sa bande d'impédance par partout. passante supérieure à définition l'émetteur commun Référence :TA.1.04.1.001 Page 48/48 Cette copie est protégée par copyright et est destinée exclusivement à la formation, elle ne sera ni mise à jour ni remplacée quel qu’en soit le motif
