Ib = (Vcc-Vbe)/Rb

AIDE MEMOIRE
TRAVAUX DE REALISATION (TR)
DEPARTEMENT G.E.I.I.
I.U.T. de VILLETANEUSE
1ère Année
Année scolaire 99/00
DEL FRANCO Giovanni
I.U.T de Villetaneuse
Département G.E.I.I.
I- LA DIODE :
I-1- GENERALITE :
La diode(jonction PN) est un semi-conducteur bipolaire unidirectionnel, c’est à dire que le courant ne
peut passer que dans un sens. Des deux bornes la jonction N est nommée la cathode, la jonction P est
nommée l’anode.
Représentation de la diode :
A(anode)
K (cathode)
I
Vak
Détermination de la tension de seuil :
La tension de seuil est la tension à partir de laquelle la diode devient passante. Cette tension
est liée proportionnellement à la température de la jonction, c’est pourquoi on l’utilise parfois
comme capteur de température.
dV o
dT
 2mV
La température T est en Kelvin.
I-2- FONCTIONNEMENT :
Si la tension Vak est positive la diode devient passante et le courant I existe (dans ce cas Vo vaut
environ 0,6 volt), équivalent à un interrupteur fermé. Si cette tension est négative la diode est bloquée le
courant ne franchi pas la barrière de potentiel dont I=0 et la tension Vak vaut la tension d’alimentation (au
signe près), équivalent à un interrupteur ouvert
I-3- LES PARAMETRES DES DIODES :
Les diodes sont choisies en fonction de critères courant/tension.
If : Courant direct continu
Ifrm : Courant direct de pointe répétitif
Ifsm : Courant de pointe non répétitif de surcharge accidentelle
Io : Courant direct moyen
Ir : Courant inverse
trr : Temps de recouvrement inverse
Vf : Tension directe continue
Vfm : Tension de crête maximum
Vra : Tension d’avalanche
Vrrm : Tension inverse de pointe répétitive
Vrsm : Tension inverse de pointe non répétitive
I-4- UTILISATIONS :
Les diodes, de signal, sont utilisées pour écrêter des tensions dans les montages électroniques, protéger
les transistors des effets selfiques (diode de roue libre), capter la température, réaliser des fonctions logiques
câblées et associées à d’autres composants pour obtenir des signaux analogiques (ln ou exp).
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I-5- CARACTERISTIQUE I=f(U) :
I
Dans cette zone (blocage)
le courant est très faible
qqes pico A
U
Vo
II- LA DIODE ZENER :
II-1- GENERALITE :
La diode Zéner, est une diode qui possède les mêmes caractéristiques que la diode normale, mais en
inverse à partir d'une tension d'avalanche appelée tension de Zéner, celle ci devient passante
II-2- UTILISATIONS :
Elle est utilisée comme tension de référence pour alimentation stabilisée ou comme diode de
désaturation des circuits magnétiques des transformateurs d’impulsion
II-3- CARACTERISTIQUES U=f(I) :
I
Vzener
U
Vo
III- LE TRANSISTOR :
III-1- GENERALITES :
Il existe deux types de transistor bipolaire, le NPN et le PNP. Ils possèdent 3 bornes :
La base (B), le collecteur (C) et l'émetteur (E). Cette dernière est associée à une flèche qui indique le sens du
courant. Le transistor à deux domaines d’utilisation. On peut l’utiliser comme interrupteur statique,
essentiellement dans l’électronique lié au pilotage des convertisseurs de puissance, on parle alors de
commutation. On utilise aussi le transistor comme amplificateur de courant, on parle alors d’amplification (de
classe A, AB,...)
Représentation du transistor :
C
B
Ib
B
Ie
Type NPN
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E
Ie
Ic
E
Ib
Ic
C
Type PNP
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Rem : La lettre au centre de l’identification, P pour le NPN et N pour le PNP représente
la nature de la base. La Lettre P indique qu’il faut un potentiel POSITIF sur la base
pour piloter le transistor NPN, la lettre N indique qu’il faut un potentiel négatif (ou nul)
pour piloter le transistor PNP.
Le transistor est parcouru par 3 courants Ic, Ib, Ie qui régissent son fonctionnement. On a :
Ie = Ic + Ib
Il existe d'autre part une relation de proportionnalité entre le courant de base et le courant de collecteur. Cette
relation porte le nom de GAIN noté : G, Hfe ou  et s'écrit :
 = Ic/Ib
III-2- MODE DE FONCTIONNEMENT :
Des deux modes de fonctionnement, amplification et commutation, on ne retiendra que le second
(commutation). Dans ce cas le transistor fonctionne comme un interrupteur électronique, il ne prend que deux
états stables, bloqué ou passant. Le courant Ic est alors fixé par la charge
III-3- RELATION ENTRE LES TENSIONS :
Il existe deux tensions utiles Vce et Vbe pour le transistor NPN.
Transistor bloqué : Vce vaut la tension d'alimentation, et Vbe vaut 0 volt
Transistor saturé : Vce est quasi nulle et Vbe vaut généralement 0,7 volts
(fixées par le constructeur)
Il existe deux tensions utiles Vec et Veb pour le transistor PNP.
Transistor bloqué : Veb vaut la tension d'alimentation, et Veb vaut 0 volt
Transistor saturé : Vec est quasi nulle et Veb vaut généralement 0,7 volts
(fixées par le constructeur)
C
Veb
B
Vce
E
B
Vec
Vbe
E
NPN
C
PNP
III-4- EXPRESSION DES COURANTS (Hors pont de polarisation) :
Le courant traversant la charge s'écrit :
Ic = (Vcc - Vcesat )/Rc
Le courant traversant la base s'écrit :
Ib = (Vcc-Vbe)/Rb
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III-5- CALCUL de Rbase :
Rb = (Vcc-Vbe) sat/Ic
en travaux de réalisation on prendra : sat = /2
Rem :La valeur de la résistance de base normalisée doit être toujours inférieure
à la valeur calculée pour être sûr de saturer le transistor. A l'inverse une résistance de
protection doit être supérieure à la valeur calculée pour être certain de son efficacité
III-6- REALITE PRATIQUE :
Le transistor possède par fabrication une capacité Cf entre la base et l’émetteur. Lors d’un
fonctionnement à fréquence élevée cette capacité empêche le transistor de retrouver son état repos
rapidement. On prévoit donc une résistance dite de «déstockage » qui permet la décharge rapide de la capacité
Cf. (On imposera le courant dans cette résistance à 1/10 du courant de saturation)
IV- L’AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL :
IV-1- GENERALITES :
C’est un composant monolithique qui est utilisé comme amplificateur de tension. Il présente un gain
infini en continu (300000) et cette valeur diminue si on l’utilise en haute fréquence (30 à quelques 100 kHz).
Symbole :
i+
-i
Vd
Hypothèse de fonctionnement :
On admet que i+=i-=0 A et Vd=0V
+
-
Brochage :
NC
VV+
-i
i+
+
NC
+Vcc
NC
IV-2- MODE DE FONCTIONNEMENT :
L’amplificateur opérationnel à deux modes de fonctionnement :
Le mode linéaire : La sortie est raccordée à l’entrée inverseuse de l’AOP le gain max
est limité par les tensions d’alimentation. L’AOP est en boucle fermée.
Le mode non linéaire : La sortie n’est pas raccordée à l’une des entrées, il
fonctionnement en boucle Ouverte. C’est le comparateur
La sortie est raccordée à l’entrée non inverseuse dans ce cas
c’est un Trigger de schmitt (ou comparateur double seuil). Il
peut être inverseur ou non
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IV-3- LES DIFFERENTS MONTAGES :
IV-3-1-INVERSEUR DE TENSION :
R2
R1
Ve
+
R3
Vs=(-R2/R1)Ve
Vs
Gnd
IV-3-2- NON INVERSEUR DE TENSION :
R2
R1
-
R3
+
Vs=(1+R2/R1)Ve
Vs
Ve
Gnd
IV-3-3- SOMMATEUR INVERSEUR DE TENSION :
R2
R1
-
R3
 R 2 

 R2 
Vs   
Ve1  
Ve2
 R3 
 R1 

+
Ve1
Vs
R4
Ve2
Gnd
IV-3-4- SOUSTRACTEUR DE TENSION :
R2
R1
-
R3
Ve1
Vs
R4
Ve2
R4 
R2
 R 2 
Ve2 
Vs  1 
Ve1

R1  R 4  R3 
R1

+
Gnd
IV-3-5- COMPARATEUR DE TENSION :
+
Ve2 gnd
Ve1
Vs
On donne à la sortie Vs la
tension Vcc associée du signe de
la différence V(+)-V(-)
V(+)-V(-) <0 alors Vs=-Vcc
V(+)-V(-) >0 alors Vs=+Vcc
IV-3-6- TRIGGER DE SCHMITT :
+
Ve
R1
Les deux seuils de comparaison sont liés à
+Vcc et –Vcc (donc Vs)
R2
Vs
V+=+/-VccR1/(R1+R2)
Gnd
REM :On peut décaler la fenêtre en insérant un
générateur en série avec R1
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IV-3-7- INTEGRATEUR INVERSEUR :
C
R1
+
R2
Ve
Vs  
Vs
1
Vedt
R1C 
Gnd
IV-3-8- DERIVATEUR INVERSEUR :
R1
C
Ve
R2
+
Vs
  R 1C
dt
Vs
Gnd
dV e
IV-3-9- CONVERTISSEUR COURANT/TENSION :
R
I
-
Vs=-RI
+
Vs
Gnd
IV-3-10- REMARQUES :
Les AOPs peuvent être alimentés de deux façons :
Alimentation symétrique :
Avec (+Vcc)-(Vcc-)= 30Vmax Et  Vcc   Vcc
Alimentation asymétrique :
Avec (+Vcc)-(-Vcc)= 30Vmax Et  Vcc  Vcc
V-LE NE555 :
V-1- GENERALITES :
Le NE555 est un circuit monolithique composé de 2 amplificateurs opérationnels
montés en comparateurs de tension, de 3 résistances identiques qui fixent les potentiels de référence, d’une
bascule RS, d’une porte inverseuse du type NAND, et d’un transistor bipolaire. Il essentiellement utilisé dans
les applications astables. Cependant il peut être monté en monostable.
Brochage :
Gnd
1
8
Vcc
Trigger
2
7
Discharge
Vout
3
6
threehold
RAZ
4
5
Control
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V-2- LES DIFFERENTS MONTAGES ASTABLES:
V-2-1- ASTABLE A FREQUENCE ET RAPPORT CYCLIQUE FIXE :
12v
R1
4
7
8
6
1
2
3
R2
C
Gnd
Ce montage impose les temps de charge et de décharge. Il
impose donc le rapport cyclique et la fréquence :
Tc=(R1+R2)Cln2
Td=R2Cln2
T=Tc+Td=(R1+92R3)Cln2
Remarque :
Pour obtenirTc=Td il suffit de placer en // sur R 2 une
diode(la cathode sur le condensateur). Tc s’écrit alors :
Tc=R1Cln2
T=tc+Td=(R1+R3)Cln2 et de poser R1=R3
(attention la diode est ici considérée parfaite, sinon il faut
rajouter une diode identique dans la branche de décharge)
V-2-2- ASTABLE A FREQUENCE FIXE ET RAPPORT CYCLIQUE VARIABLE :
Ce montage permet de faire varier le rapport cyclique
sans modifier la période. Les diodes ont un rôle
d'aiguillage.
Tc = (R1+aP+R3)Cln2
Td = (R3+(1-aP))Cln2
T = Tc+Td = (R1+2R3+P)Cln2
On remarque que la période quelle que soit la
position de a (curseur de P) ne bouge pas
12v
R1
74 8
D1 D2
R3
62
P
3
1
C
Gnd
Exemple
V3
2Vcc/3
Vc
Vcc/3
T
V-2-3- ASTABLE A FREQUENCE VARIABLE ET RAPPORT CYCLIQUE FIXE :
12v
P
4
7
8
62
1
3
R3
Ce montage permet d'avoir une fréquence qui varie tout en
gardant le temps de décharge constant
Tc = (aP+R3)Cln2, Td = R3Cln2
T = Tc + Td= (aP+2R3)Cln2
Remarque :
En inversant P et R3 c'est le temps de charge qui reste
constant : T=(R3+2aP)Cln2
C
Gnd
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Remarque :
On peut associer les montages B et C pour obtenir un rapport cyclique variable et une
fréquence fixe variable. D’autres combinaisons sont possibles.
V-3- MONTAGE MONOSTABLE :
VI- LES REGULATEURS DE TENSION :
VI-1-GENERALITES :
Les régulateurs de tension sont des composants largement employés dans la construction des
alimentations de faible puissance(quelques centaines de watts). L’objectif est d’obtenir à partir d’une tension
redressée filtrée une tension fixe quelle que soit la charge (dans certaines limites).
La tension de sortie et la structure interne du régulateur imposent le choix d’une tension minimum
d’entrée. La tension max est une limite constructeur, et de cette valeur dépend, en fonction du courant, la
puissance dissipée par le régulateur d’où le choix du dissipateur.
VI-2- EXEMPLE D’APPLICATION :
Soit une alimentation de 12 volts /1 Ampère à réaliser. Le constructeur nous donne :
Vin = 19 v, Vout = 12 v, Iout=1A,chute de tension due au régulateur 2v
La puissance maximum à dissiper est donc de :
P=(19-12-2)x1= 5w puissance non négligeable.
VI-3- DONNEES CONSTRUCTEUR :
Le constructeur donne dans ses documentations techniques les montages types et les composants qu’il
faut associer au régulateur pour obtenir un fonctionnement optimum.(les condensateurs en font partis).
VII- L’OPTOCOUPLEUR :
VII-1- PRESENTATION :
L’optocoupleur est un composant d’une grande utilisation dès qu’il s’agit de protéger une partie
commande d’une partie opérative. En fait, on opère une isolation galvanique entre ces deux parties, il n’y a
plus, alors, de liens électriques. Il existe plusieurs types d’optocoupleur (appelé aussi photocoupleur) :
- Diode/Diode-transistor
- Diode/Transistor
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-
Diode/Darlington
Diode/Thyristor
Diode/Triac
Diode/Diode-darlington
Le principe est en fait basé sur l’émission d’une lumière à partir de l’Arséniure de Gallium ou Phosphorure de
Gallium
VII-2- PRINCIPE DU CALUL(DIODE/TRANSISTOR) :
La diode émettrice à une tension max de fonctionnement qu’il ne faut pas dépasser. Il faut donc
calculer la résistance de protection qu’il faut lui associer. A partir du taux de transfert donné en % on en
déduit la valeur du courant Ic du transistor récepteur de la lumière. Cette grandeur nous permet de déterminer
les composants à associer à ce phototransistor pour obtenir le bon fonctionnement.
VII-3- NOTATIONS ET REPRESENTATION :
On se limitera au phototransistor.
Vf : Cension max de la diode émettrice
If
If : Courant max supporté par la diode émettrice
Vcesat : Tension de saturation du transistor
Vf
Icsat : Courant de saturation du transistor
 : Taux de transfert
Remarque : Il se peut, comme dans le cas du transistor, que la base mette un certain
temps pour décharger sa capacité de base, il faut donc mettre entre la base
et la masse une résistance qui favorise cette décharge.
VIII- LES FONCTIONS LOGIQUES :
Ce chapitre se limitera à la présentation des différentes fonctions logiques sans traiter des technologies
existantes, ni des méthodes permettant de réaliser la compatibilité.
IX- LE TRANSFORMATEUR D’IMPULSION :
X- REDRESSEMENT MONOALTERNANCE :
XI- TRANSFORMATEUR MONOPHASE :
XII- LES CIRCUITS RC :
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XIII- LES THYRISTORS :
XIII-1- PRESENTATION :
Un thyristor est un semi-conducteur bistable contrôlable par un circuit d’amorçage pour la mise en
conduction (c’est une diode commandée), le blocage s’effectuant lors de la disparition du courant direct. Avec
des thyristors il est possible de faire varier la tension de sortie en agissant sur le temps de conduction. On
obtient alors un redressement commandé.
Il existe aussi les thyristors GTO (gate turn off) ou le blocage est assuré par une impulsion négative sur la
gâchette. Ils peuvent aller jusqu'à 400A sous 2500v.
XIII-2- PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT :
Sens passant
Uak
A
Sens bloqué
Uka
i K
G
Ig
A
Ug
K
G
Dans le sens passant : Il faut pour que le transistor, que la tension Uak soit positive et
qu’il y ait un courant de gâchette Ig suffisant.
Dans le sens bloqué : Il faut que la tension Uak passe par 0 ou s’inverse pour que le
courant dans le circuit s’annule.
Dès qu’un thyristor est amorcé par le courant de gâchette, ce courant peut être
supprimé ,le thyristor continue à conduire tant que Uak est positive.
XIII-3- COURBES CARACTERISTIQUES :
Caractéristiques techniques : Ce sont les
mêmes données que les diodes avec en
plus :
It
état passant
tension de
retournement
Vrrm
Ih
Vt
tension de
claquage en
inverse
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Vdrm
Vbo
Ir
état bloqué
Vth
Le courant de maintien (Ih ), valeur
minimale nécessaire pour maintenir la
conduction.
Le courant d’accrochage (Il ), valeur
minimale à maintenir pendant une durée
bien précise après disparition de
l’impulsion de commande Il> 2Ih.
La tension (Vgt) et le courant (Igt)
d’amorçage
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XIII-4- PTROTECTION DES THYRISTORS :
On protège les thyristors :
Contre les surintensités :
La protection peut-être assurée par un fusible ultra rapide ou un système limiteur
électronique.(Inductance simple ou saturable).
Contre les amorçages trop rapides di/dt :
Une inductance montée en série.
Contre les blocages trop rapides dv/dt :
On emploie soit un condensateur, soit un filtre RC pour limiter le courant.
XIV- LES TRANSISTORS MOS DE PUISSANCE:
C’est un transistor à effet de champ à enrichissement canal N ou P à grille isolée (MOSFET : Métal
Oxyde Semi-Conducteur Field Effect Transistor ).
Symbole
Id
D
Id
G
Vds
Vgs
S
D
G
Vds
Vgs
S
On distingue trois électrodes, la grille le drain et la source. Le passage de l’état bloqué à l’état passant
du composant est réalisé par polarisation de la grille (équivalente à un condensateur entre grille et source). A
l’état passant la tension drain-source est proportionnelle au courant. Ce facteur de proportionnalité est appelé
résistance à l’état passant ( RDSon)
XV- LE FILTRAGE :
XVI- LES DISSIPATEURS :
XVII- LES CALCS :
XIX- PROTECTION DES MATERIELS :
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