Les composants électroniques de commutation

Les composants électroniques de commutation
2ème année
option électronique
année 00/01
Chapitre I : Introduction
Chapitre I
INTRODUCTION
Sommaire
1
GENERALITES ............................................................................................................... 3
1.1 STRUCTURES DES MONTAGES A COMMUTATION .............................................................. 4
1.1.1
Montage utilisant un interrupteur en commutation ............................................... 4
1.1.2 Montage utilisant une combinaison d'interrupteur ................................................ 5
1.1.3
Circuits logiques .................................................................................................... 6
1.2 CARACTERISTIQUES DES INTERRUPTEURS ....................................................................... 6
1.3 SCHEMA EQUIVALENT DES COMPOSANTS ........................................................................ 7
2
CIRCUIT RC SOUMIS A UN CRENEAU.................................................................... 8
2.1 ETUDE D'UN CAS GENERAL .............................................................................................. 9
2.1.1
Calcul de la réponse libre ou de la solution générale de l'ESSM sg(t). ................. 9
2.1.2
Calcul de la réponse forcée ou de la solution particulière de l'EASM sp(t). ....... 10
2.1.3
Détermination de la solution générale de l'équa diff. (1). ................................... 10
2.1.4
Tracé de e(t) et s(t) ............................................................................................... 11
2.1.5
Expression analytique de temps caractéristiques ................................................ 11
Cours de commutation
version du 19/01/06 à 13:01
Page 2/12
Didier Magnon
Chapitre I : Introduction
Les composants électroniques de commutation
Chapitre I
INTRODUCTION
1
Généralités
Nous avons à notre disposition de nombreux composants électroniques qui nous permettent de
réaliser une infinité de montages. Ceux ci peuvent être répartis selon deux grandes familles :
- les montages à fonctionnement linéaire,
- les montages à fonctionnement Tout Ou Rien (TOR).
Les montages à fonctionnement linéaire servent en général à transformer de façon continue
des phénomènes physiques en signaux électriques.
Exemples :
* la voix d'un chanteur est captée par un microphone puis, elle est plus ou moins
amplifiée pour être restituée par des enceintes acoustiques.
* Un thermomètre électronique donne en permanence les variations de température.
Dans ce type d'application la sortie est proportionnelle à l'entrée et de façon grossière
elles sont reliées par un gain. L'information est traduite en continu, c'est ce que l'on a
coutume d'appeler l'électronique analogique.
Les montages à fonctionnement TOR utilisent des composants qui ne donnent qu'une
information binaire; vrai ou faux. Ils sont souvent appelés INTERRUPTEURS.
Attention: ce qui ne signifie pas obligatoirement une sortie numérique.
On souhaite que la sortie recopie au mieux l'entrée mais le rapport est constant et peu
important. La meilleure image que l'on puisse trouver bien qu'elle ne soit pas
électronique est le relais. Ici, l'information est discrète, elle est issue de la commutation
d'un ou plusieurs composants (généralement de puissance).
Cours de commutation
version du 19/01/06 à 13:01
Page 3/12
Didier Magnon
Chapitre I : Introduction
Exemples :
* électronique de puissance, hacheur, onduleur, redresseur, gradateur (variateur de
lumière),
* électrotechnique, Commande de relais, relais statique,
* électronique
faible
courant,
circuits
logiques,
détection
(démodulation
à
échantillonnage).
Certains composants sont plus dédiés à l'un ou l'autre type de montage, mais dans la plupart
des cas, les composants discrets (diode, transistor, …) peuvent être utilisés en fonctionnement
linéaire ou en commutation.
Donc de façon analogue à l'électronique analogique, il est impératif en commutation de
déterminer les caractéristiques de fonctionnement d'un composant utilisé en interrupteur. Ils
est donc nécessaire de faire une étude systématique pour déterminer le dimensionnement d'un
composant et de son radiateur en fonction des empiétements générés par la commutation.
1.1
STRUCTURES DES MONTAGES A COMMUTATION
1.1.1 Montage utilisant un interrupteur en commutation
On met en relation une source (tension ou courant) et une charge à l'aide d'un interrupteur. Le
schéma est alors le suivant :
Charge
Interrupteur
Source
Figure 1 : Montage à un seul interrupteur
Cours de commutation
version du 19/01/06 à 13:01
Page 4/12
Didier Magnon
Chapitre I : Introduction
1.1.2 Montage utilisant une combinaison d'interrupteur
On met en relation une source (tension ou courant) et une charge à l'aide d'une combinaison
d'interrupteurs. Le montage le plus connu est le pont en H (dû à sa structure) dont la
représentation est la suivante:
Q1
Q3
Charge
VE
Q2
Q4
Figure 2 : Structure ou pont en H.
Supposons que la charge soit un moteur à courant continu. Deux fonctionnements sont
possibles.
Soit les interrupteurs forment les couples
Au repos Q2 et Q4 sont fermés.
Q1, Q4 et Q3,Q2.
Soit on ouvre Q2 et l'on ferme Q1 la
Si le couple Q1,Q4 est fermé, Q3,Q2 est
charge voit VE, soit on ouvre Q4 et on
ouvert et la charge voit la tension VE.
ferme Q3, la charge voit –VE. Mais la
Si le couple Q3,Q2 est fermé, Q1,Q4 est
plupart du temps on ferme par impulsions
ouvert et la charge voit la tension -VE.
Q1 (respectivement Q3) et évidemment on
ouvre par impulsions complémentaires Q2
La tension aux bornes de la charge peut
(respectivement Q4), le transistor Q4
être modulée par ouverture et fermeture
(respectivement Q2) reste fermé. Ainsi on
successives
réalise une modulation de 0 à VE
de
l'un
ou
des
deux
interrupteurs fermés.
(respectivement de 0 à -VE) au point chaud
de la charge.
Soit les interrupteurs forment les couples
Q1,Q2 et Q3,Q4.
Dans tous les cas la charge peut recevoir une tension dont la valeur moyenne est variable et
dont la polarité peut être inversée.
Cours de commutation
version du 19/01/06 à 13:01
Page 5/12
Didier Magnon
Chapitre I : Introduction
Remarque 1 : Quand le moteur est en rotation, on peut le freiner rapidement en ouvrant les
interrupteurs Q1 et Q3 et en fermant Q2 et Q4.
Remarque 2 : On perçoit facilement que cet astucieux montage demande une gestion
rigoureuse des instants de commutation de chaque interrupteur. En effet, les empiétements de
Q1 et Q2 par exemple peuvent être fatals aux composants. Les constructeurs (Linear
technologies, Toshiba, …) nous proposent des circuits spéciaux appelés Drivers pour demipont ou pont en H.
Ce type de pont est très souvent piloté par une Modulation en Largeur d'Impulsion (MLI) dont
l'équivalent anglo-saxon est : Pulse Witdh Modulation (PWM).
Dans la plupart des cas, les structures peuvent se ramener, pour une plage de temps donné, à
un circuit à un seul interrupteur. L'usage des théorèmes de Thévenin et de Norton facilitera
bien souvent l'étude.
1.1.3
Circuits logiques
Avec ces circuits l'utilisateur n'est pas maître des commutations. Par conséquent, cette étude
est faite vue de l'extérieur en prenant en compte les informations disponibles sur les data sheet
élaborés par les constructeurs.
1.2
CARACTERISTIQUES DES INTERRUPTEURS
L'interrupteur idéal se ferme et s'ouvre instantanément. Lorsqu'il est fermé, la tension à ses
bornes est nulle (Ron nulle). Lorsqu'il est ouvert, il n'y a aucun courant qui le traverse (Roff
infinie).
L'interrupteur réel est défini par :
•
un temps de fermeture ton,
•
un temps d'ouverture toff,
•
une tension de déchet à la fermeture, Von ≠ 0 (bipolaire), Ron ≠ 0 (MOS),
Cours de commutation
version du 19/01/06 à 13:01
Page 6/12
Didier Magnon
Chapitre I : Introduction
•
un courant de fuite à l'ouverture, Ifuite ≠ 0 (bipolaire), Roff ≠ ∞ (MOS).
Ces paramètres ont des valeurs qui dépendent des matériaux utilisés (semi-conducteurs). En
fait, ils traduisent des résistances, des condensateurs et des inductances parasites.
L'étude des commutations passe obligatoirement par la connaissance d'un schéma équivalent
du composant. Ce dernier permet d'établir les formes d'ondes (dépendant des caractéristiques
intrinsèques de l'interrupteur et du circuit extérieur) présentes aux bornes du composant. La
connaissance analytique de ces signaux permet de calculer les temps de commutation et les
pertes par commutation.
1.3
SCHEMA EQUIVALENT DES COMPOSANTS
Tous les composants électroniques de commutation sont fabriqués à partir de semiconducteurs qui appartiennent au groupe IV de la classification périodique de Mendéléev
(chaque atome possède quatre électrons de valence). Ils possèdent une ou plusieurs jonctions
PN qui admettent un champ électrique qu'elles soient bloquées, passantes ou non reliées à un
circuit extérieur.
P
barrière de
potentiel
-
p
+
+
+
+
N
e
a)
E
P
p
-
-
N
++
++
++
++
e
b)
E
P
N
e
p
c)
Figure 3 : champ électrique d'une jonction PN, a) libre, b) bloquée et c) passante.
Le champ électrique fait qu'à chaque extrémités de la jonction PN nous avons une
concentration de charges de signe opposé. Ces charges "triées" et distantes sont réparties de
façon analogue à ce que l'on trouve dans un condensateur. Par conséquent une jonction PN
présente toujours un effet capacitif.
Cours de commutation
version du 19/01/06 à 13:01
Page 7/12
Didier Magnon
Chapitre I : Introduction
Lorsque la jonction est passante, il existe un courant qui dépend du champ électrique mais
aussi de la structure cristalline du semiconducteur. En effet, la mobilité des charges
(thermique ou électrique) bien que très grande n'est pas infinie. Autrement dit, les électrons de
la bande de conduction sont accélérés sous l'action du champ électrique appliqué et vont se
heurter aux atomes de la structure cristalline du composant, ce qui ralenti peu ou prou leur
vitesse. Tout se passe comme si le barreau du semiconducteur présentait une résistance. On
parle de résistance série du composant.
Ces jonctions pour être utilisables doivent être reliés aux pattes du boîtier choisi. Plusieurs
techniques existes, la plus courante consiste à relier la puce aux pattes par l'intermédiaire de
fils d'aluminium1 ou d'or2. Or tout fil possède un effet inductif (1µH/m dans l’air) par
conséquent, un composant en commutation peu présenter également un effet inductif.
Donc on pourra toujours, même pour des composants multicouches, ramener le composant en
commutation à un circuit relativement simple composé essentiellement de condensateurs et de
résistances, voire d'inductances.
2
Circuit RC soumis à un CRENEAU
Considérons le circuit suivant :
K
i(t)
R
EF
Ei
C
e(t)
s(t)
Figure 4 : Etude d'un circuit RC soumis à une excitation en créneau
ic(t) = dq(t)/dt;
q(t)=cvc(t);
ic(t)= cdvc(t)/dt
or
1
Wedge bonding, ultrason à température ambiante (cf besson p 70).
2
Ball bonding, ultrason entre 150 et 180°C (cf besson p 70).
Cours de commutation
version du 19/01/06 à 13:01
Page 8/12
Didier Magnon
Chapitre I : Introduction
S(t) = Vc(t)
et
e(t) = Ri(t) + S(t)
d'où
e(t) = RcdVc(t)/dt + Vc(t)
(1)
C'est une équation différentielle du 1er ordre à coefficients constants.
2.1
ETUDE D'UN CAS GENERAL
Soit un créneau quelconque suffisamment long devant le temps de commutation du
composant de telle sorte qu'il soit vu pour cet instant précis comme un échelon. Alors nous le
définissons comme suit :
e(t)
Ef
t
Ei
Figure 5 : Echelon appliqué au circuit RC
Que devient la sortie s(t)? Pour le savoir, il suffit de résoudre l'équation différentielle (1).
Dans un premier temps résolvons cette équation de façon classique en ignorant les
transformées de LAPLACE.
2.1.1 Calcul de la réponse libre ou de la solution générale de l'ESSM sg(t).
Cette solution dépend des conditions initiales. L'équation (1) devient :
RC
τ
ds g (t )
dt
ds g (t )
dt
Cours de commutation
+ s g (t ) = 0
= − s g (t )
posons τ = RC
soit encore
version du 19/01/06 à 13:01
Page 9/12
ds g (t )
sg
1
= − dt
τ
Didier Magnon
Chapitre I : Introduction
nous pouvons appliquer sur chaque membre de cette équation l'opérateur intégrale.
∫
ds g (t )
1
= − ∫ dt
τ
sg
t
ceci est équivalent à : ln(s g ) = − + K '
τ
Soit en multipliant cette égalité par la fonction exponentielle on obtient :
s g (t ) = e
−
t
•e
τ
K'
soit encore : s g (t ) = Ke
−
t
τ
(2)
avec K calculé grâce aux CI.
2.1.2 Calcul de la réponse forcée ou de la solution particulière de l'EASM sp(t).
L'équation (1) est prise dans son intégralité, c'est-à-dire :
τ
ds p (t )
dt
+ s p (t ) = e(t )
Pour t≥0 e(t) = constante = Ef. Par conséquent la solution Sp(t) = Ef est une solution
particulière satisfaisant l'équation (1).
2.1.3 Détermination de la solution générale de l'équa diff. (1).
La solution générale de l'équation (1) est la somme de la solution générale sg(t) et la solution
particulière sp(t).
s (t ) = Ke
−
t
τ
+ Ef
2.1.3.1 Détermination de la constante K
A t=0 on a :
s(t) = s(0) = Ei = K + Ef
Cours de commutation
version du 19/01/06 à 13:01
Page 10/12
Didier Magnon
Chapitre I : Introduction
d'où
K = Ei – Ef
s ( t ) = ( Ei − E f ) e
D'où
−
t
+ Ef
τ
(3)
Si le créneau possède un retard to alors :
s ( t ) = ( Ei − E f ) e
2.1.4
−
t −t0
τ
+ Ef
(3')
Tracés de e(t) et s(t)
s(t)
e(t)
Ef
Ex
t
tx
Ei
Figure 6 : Tracés de e(t) et s(t)
2.1.5
Expression analytique de temps caractéristiques
2.1.5.1 Calcul de tx mis pour atteindre une valeur Ex comprise entre ]Ei, Ef[
s (t x ) = E x = ( Ei − E f ) e
−
tx
τ
 Ex − E f
+ E f soit ln
 E −E
f
 i
 E − Ef

 = − t x ou encore t x = τ ln i
E −E

τ
f
 x





rappel : -ln(a) = ln(1/a)
2.1.5.2 Expression analytique du temps de réponse tr
Cours de commutation
version du 19/01/06 à 13:01
Page 11/12
Didier Magnon
Chapitre I : Introduction
tr à 10%
tr à 5%
s (tr ) = 0,9 E f = ( Ei − E f )e
 Ei − E f
t r = τ ln
 − 0,1E
f

−
tr
τ
+ E f d'où
s (tr ) = 0,95E f = ( Ei − E f )e
 Ei − E f
t r = τ ln
 − 0,05E
f





−
tr
τ
+ E f d'où




2.1.5.3 Expression analytique du temps de descente td
On s'intéresse au temps de descente après un front descendant du créneau d'entrée.
Le temps de descente td correspond au temps que met la sortie s(t) du circuit RC pour passer
de la valeur Ei à 0.
s (t)
e(t)
Ei
t
td
Ef
Figure 7 : Temps de descente td
s (t d ) = 0 = ( Ei − E f ) e
Cours de commutation
−
td
τ
 Ei − E f
t d = τ ln
 −E
f

+ E f d'où
version du 19/01/06 à 13:01
Page 12/12




Didier Magnon