Fonctions et composants élémentaires de l’électronique ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo 1 Dispositifs électroniques Fonctions Electroniques Composants Electroniques Généralités Signaux électriques Représentations fréquentielles Généralités Dispositifs électroniques Objectifs: traiter , distribuer de l’information sous différentes formes Les protagonistes – – – – Signaux d’entrées: stimule le système Source d’énergie : nécessaire au bon fonctionnement des composants constituants le système Le dispositif: traite les signaux d’entrée et fournit des résultats en sortie Signaux de sorties: résultat attendu de la fonction réalisée par le système Signaux Entrées Dispositif électronique Signaux Sortie Source d’ énergie 𝑉𝑠 𝑡 = 2𝑠𝑖𝑛 2𝜋1000𝑡 𝑉𝑒 𝑡 = 2𝑠𝑖𝑛 2𝜋1000𝑡 + 𝑠𝑖𝑛 2𝜋4000𝑡 ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo 2 Dispositifs électroniques Fonctions Electroniques Composants Electroniques Généralités Signaux électriques Représentations fréquentielles Signaux: potentiels et de différence de potentiels Analogie 1 La différence de potentiels ne dépend pas de la référence choisie potentiel = altitude Je choisis une référence des altitudes +3000m Mon 0m -3000m Le téléski: c’est la pile A dérivation 𝑈𝐴𝑀 = 9𝑉 Fléchage des 2 parcours: Courant des skieurs I1 et I2 Intensité du courant I1 =débit des skieurs parcours 1 ER/EN1- IUT GEII I1 I2 M Juan Bravo 3 Dispositifs électroniques Fonctions Electroniques Composants Electroniques Généralités Signaux électriques Représentations fréquentielles Signaux: potentiels et de différence de potentiels Analogie 2 hydraulique (Jean-François Pochon) ER/EN1- IUT GEII Différence de potentiel Intensité du courant Juan Bravo Différence de pression Débit hydraulique 4 Dispositifs électroniques Fonctions Electroniques Composants Electroniques Généralités Signaux électriques Représentations fréquentielles Signaux: potentiels et de différence de potentiels Exemples de dispositifs hydrauliques débit PAB PBM PAM PAM=PA-PM Mise en // d’éléments résistifs Mise en série d’éléments résistifs Stockage d’énergie PAM t ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo 5 Généralités Dispositifs électroniques Fonctions Electroniques Composants Electroniques Signaux électriques Représentations fréquentielles Signaux électriques usuels Sinus 𝑉 𝑡 = 𝑉𝑚𝑎𝑥 sin 𝑤𝑡 + 𝜑0 400 Vs Influence amplitude 400 v1(t) 200 200 0 v2(t) t 0.04 0 0.02 0 0 -200 -200 -400 -400 0.01 0.02 0.03 0.04 Influence fréquence 400 400 300 v1(t) 200 100 v1(t) v2(t) 200 0 0 0.01 -200 0.02 Influence phase à l’origine 0.03 0.04 0 -100 0 -200 v2(t) 0.01 0.02 0.03 0.04 -300 -400 ER/EN1- IUT GEII -400 Juan Bravo 6 Généralités Dispositifs électroniques Signaux électriques Fonctions Electroniques Composants Electroniques Représentations fréquentielles Signaux électriques usuels Rectangle 𝑉 𝑡 = 𝑉𝑚𝑎𝑥 𝑝𝑜𝑢𝑟 𝑡 ∈ [0;α𝑇] 𝑉 𝑡 = 𝑉𝑚𝑖𝑛 𝑝𝑜𝑢𝑟 𝑡 ∈ [α𝑇; 𝑇] [V] 6 6 5 5 4 4 3 V 3 2 2 1 1 t 0 0 0.00005 ER/EN1- IUT GEII 0.0001 0.00015 0.0002 0 0.0E+0 v1 v2 5.0E-5 Juan Bravo 1.0E-4 1.5E-4 2.0E-4 t [s] 2.5E-4 7 Généralités Dispositifs électroniques Signaux électriques Fonctions Electroniques Composants Electroniques Représentations fréquentielles Signaux électriques usuels 10 Echelon de tension V1 [V] 8 6 𝑉 𝑡 = 0 𝑝𝑜𝑢𝑟 𝑡 < 0 𝑉 𝑡 = 𝑉𝑚𝑎𝑥 𝑝𝑜𝑢𝑟 𝑡 ≥ 0 4 2 0 -4 -2 0 2 4 6 8 10 t [s] Triangle symétrique 8V 6 𝑉 𝑡 𝑉 𝑡 𝑇 = −𝑎𝑡 + 𝑏 𝑝𝑜𝑢𝑟 𝑡 ∈ [0; 2] 𝑇 = 𝑎𝑡 + 𝑐 𝑝𝑜𝑢𝑟 𝑡 ∈ [ 2 ; 𝑇] v2(t) 4 2 0 0.0E+00 -2 t 5.0E-05 -4 1.5E-04 2.0E-04 v1(t) -6 ER/EN1- IUT GEII 1.0E-04 Juan Bravo 8 Dispositifs électroniques Fonctions Electroniques Composants Electroniques Généralités Signaux électriques Représentations fréquentielles Représentation fréquentielle Une même information et différentes représentations Information: je joue une note Représentation fréquentielle LA= 440 Hz Représentation temporelle de la vibration de la corde Diagramme de Bode ( cours GE11) La réponse à une excitation sinusoïdale reste sinusoïdale ( système SLTI) 20 Système linéaire v1(t) 10 𝑉1 𝑡 = 𝑉𝑚𝑎𝑥 sin 𝑤𝑡 𝑉2 𝑡 = 𝑨(𝒘). 𝑉𝑚𝑎𝑥 sin 𝑤𝑡 + 𝝋(𝒘) v2(t) 0 -10 0 0.01 t 0.02 0.03 0.04 -20 ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo 9 Dispositifs électroniques Fonctions Electroniques Composants Electroniques Généralités Signaux électriques Représentations fréquentielles Représentation fréquentielle: Bode Pour différent 𝒘 (ou f) on mesure A et 𝝋 f 100Hz 200Hz 500Hz A 1 0,9 0,8 𝝋 0o 5o 12o …….. On trace la représentation fréquentielle 𝐴𝑑𝐵 = 20𝑙𝑜𝑔𝐴 = 20 𝑙𝑛𝐴 𝑙𝑛10 Échelle logarithmique afin de pouvoir tracer de grande plage de fréquence ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo 10 Généralités Dispositifs électroniques Signaux électriques Fonctions Electroniques Composants Electroniques Représentations fréquentielles Représentation fréquentielle: analyse spectrale Spectres de fréquences (cours En5- Math 32) Série de Fourier: tout signal périodique peut-être décomposé en une somme de sinus o 𝑓 𝑡 = 𝑎0 + ∞ 𝑛=1 𝑏𝑛 sin 𝑛𝑤𝑡 + 𝜑𝑛 Transformée de Fourier: extension des séries aux signaux non périodes 1ms Représentation spectrales Amplitude 1Khz 3Khz 5Khz f Sinus pur 1kHz Decoupage Amplitude f Mélangeur 1kHz 4kHz 100kHz Modulation d’amplitude 90kHz ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo 110kHz 11 Dispositifs électroniques Fonctions Electroniques Méthodologie Fonctions usuelles Composants Electroniques Découpage fonctionnel Décomposition en fonctions élémentaires Découpage d ’un problème complexe en problèmes plus simples Approche TOP-DOWN On part des fonctionnalités attendus puis on scinde le système en blocs fonctionnels o Les blocs fonctionnels sont à leur tour décrit sous forme plus détaillés o Avantages Travail collaboratif Test unitaires des fonctions Réutilisation de blocs Achat ou création d’IP (Intellectual Property) cores réutilisables. o Réduction du Time To Market. o ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo 12 Dispositifs électroniques Fonctions Electroniques Méthodologie Fonctions usuelles Composants Electroniques Découpage fonctionnel Un exemple: alarme d’accessoires Le contexte Diagramme avec les différents acteurs o Etablissement des liens entre les protagonistes o – matière : transferts physiques – énergie : échanges de puissance – information : contrôles, commandes, ordres,... La fonction globale o « L´alarme vérifie en permanence la présence des accessoires à protéger. Si elle a été placée en position "on", elle devra envoyer un ordre de commande du klaxon à l´automobile quand les conditions d´effractions sont réunies» Architectures Niveau 2 Niveau 1 ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo 13 Dispositifs électroniques Fonctions Electroniques Méthodologie Fonctions usuelles Composants Electroniques Amplifier filtrer Amplifier Objectif: amplifier la tension ou le courant d’entrée d’un capteur par exemple o Le rapport de la grandeur de sortie sur grandeur d’entrée à une fréquence donnée définit le coefficient d’amplification – Valide si pas de distorsion ( exemple saturation) o Lorsque cette amplification varie en fonction de la fréquence on parle plutôt de fonction de 20 transfert vs(t) – Forme complexe de l’amplification: gain, phase Ve(t) Filtrer Vs(t) A v1 10 ve(t) 0 0 0.01 0.02 0.03 0.04 -10 -20 Objectif: supprimer ou conserver que certaines fréquences du signal d’entrée On distingue 4 grandes familles de filtrage PASSE-HAUT ER/EN1- IUT GEII PASSE-BAS PASSE-BANDE Juan Bravo REJECTEUR DE BANDE 14 Dispositifs électroniques Fonctions Electroniques Méthodologie Fonctions usuelles Composants Electroniques Amplifier filtrer Exemple d’un filtrage passe-bas 1kHz Représentation temporelle Représentation fréquentielle 1kHz ER/EN1- IUT GEII 1kHz 4kHz Juan Bravo 4kHz 15 Dispositifs électroniques Fonctions Electroniques Méthodologie Fonctions usuelles Composants Electroniques Alimenter en énergie Objectifs: DC Utiliser et transformer la source d’énergie du système Obtenir une tension CONTINUE nécessaire : 15 à la réalisation de certaines fonctions o à l’alimentation des circuits intégrés o – Tensions : 1.8, 3.3, 5 ,9, 12, 24 𝑉𝑑𝑐 e DC 10 10 s 5 5 0 0 0 0.02 0.04 0.06 Deux grandes familles de conversions 0 t 0.02 0.04 0.06 t Conversion DC-DC AC On part du continu pour obtenir du continu mais avec des caractéristiques différentes o Convertisseur linéaires(1ème année) o Convertisseur à découpages (2ème année) 400 e o Conversion AC-DC On part du secteur pour obtenir du continu o Nécessite un assemblage de sous-fonctions o DC 10 200 s 0 0 -200 0.02 t 0.04 5 0 0 0.02 0.04 0.06 t -400 ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo 16 Dispositifs électroniques Fonctions Electroniques Méthodologie Fonctions usuelles Composants Electroniques Conversion DC-DC Réguler Objectif: maintenir la tension de sortie constante ∀𝑉𝑒 et ∀𝐼𝑠 Bouclage de la sortie et comparaison à une tension de référence Composants intégrés appelé régulateur de tension o Régulateur linéaire Régulateur à découpage 14 ve 12 10 8 vs 6 4 2 0 0 0.02 0.04 0.06 0.08 Stabiliser tension même objectif que précédemment Pas de bouclage (boucle ouverte) Utilisation de composants discrets o Diode zéner + filtrage éventuels ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo 17 Dispositifs électroniques Fonctions Electroniques Méthodologie Fonctions usuelles Composants Electroniques Conversion AC-DC: fonctions secondaires Adapter niveau secteur Adapter tension Objectif: abaisser (en général) le niveau de tension du secteur Un composant privilégié o 400 Le transformateur de tension 100 ve(t) 200 symbole vs(t) 0 composant -200 50 0 t 0 0.04 -50 0.02 -400 -100 Redresser tension Objectif: obtenir une tension à valeur moyenne non nulle o Ve Vs Vac -> Vdc Un composant privilégié o Vs La diode Ve ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo 18 Dispositifs électroniques Fonctions Electroniques Méthodologie Fonctions usuelles Composants Electroniques Conversion AC-DC: fonctions secondaires Filtrer Interprétation temporelle Objectifs: atténuer les ondulations du redressement o Obtenir la tension la « plus lisse » possible o Filtrer Interprétation fréquentielle Stabiliser ou réguler Déjà vu ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo 19 Dispositifs électroniques Fonctions Electroniques Méthodologie Fonctions usuelles Composants Electroniques Générer 6 4 V 2 0 Fonction astable Objectifs: créer signal périodique à 2 états o 0 Notion haut/bas , vrai/faux 0.0001 0.0002 t Fonction oscillateur Objectifs: créer signal périodique sinusoïdal Fonction temporiser (thème 1) 𝑡 = 𝑥𝑥𝑥 𝑠𝑒𝑐 Objectifs: générer une impulsion calibrée en temps déclenchement Périodique ou non o Nécessite une entrée de déclenchement (trigger) o Fonction comparer Objectifs: comparer deux tensions entre elles Résultat du type haut/bas , vrai/faux o Signaux fixes ou variables o ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo 20 Dispositifs électroniques Fonctions Electroniques Méthodologie Fonctions usuelles Composants Electroniques Interfacer ( Coupler) Interface Objectif: terme générique pour désigner une adaptation des grandeurs électriques entre 2 blocs Notions connexes: coupleur, driver Drivers Drivers de ligne de communication o Usb, CAN, RS232 Drivers de composant o Transistor de puissance Interface de puissance Interrupteur commandé o Relais, transistor Convertisseurs commandés o AC/DC, DC/DC, DC/AC ( variateur de vitesse pour moteur) ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo 21 Dispositifs électroniques Fonctions Electroniques Composants Electroniques Résistor Le composant Effet Résistif résistance au passage des électrons Cette résistance se traduit par un échauffement: effet Joule 𝑝 𝑡 = 𝑈 𝑡 . 𝐼(𝑡) 1 𝑇 𝑃 = 0 𝑈 𝑡 𝐼 𝑡 𝑑𝑡 𝑇 [VA] [𝑊] Symboles R=résistance du résistor Modèles Résistor idéalisé i A B 𝑈𝐴𝐵 t = 𝑅. 𝐼(t) 𝒈𝒓𝒂𝒏𝒅𝒆𝒖𝒓𝒔 𝒄𝒐𝒏𝒕𝒊𝒏𝒖𝒆𝒔 𝑈2 𝑃 = 𝑈𝐼 = = 𝑅𝐼 2 𝑅 𝑈𝐴𝐵 ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo 22 Dispositifs électroniques Fonctions Electroniques Composants Electroniques Résistor Modèle hautes fréquences A b 𝑈𝐴𝐵 t = 𝑅. 𝐼(t) Paramètre du résistor Sa résistance nominale normalisé o marquage Ne Manger Rien Ou Je Vous Bats Violemment Gros Bêta ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo 23 Dispositifs électroniques Fonctions Electroniques Composants Electroniques Résistor Tolérance o Série normalisée par tolérances associées Puissance nominale grandeurs continues grandeurs sinusoïdales 𝑃= P Autres 𝑃= 1 𝑇 𝑈2 = 𝑅𝐼 2 𝑅 U eff2 R RI eff2 𝑇 𝑈 𝑡 𝑖 𝑡 𝑑𝑡 0 Puissance normalisées [W] Technologie – Couche carbone • • • • – Couche métallique • • • • – Prix faible 1/4W -> 2W 1 -> 2M 5% à 0.05% Bobinées • • – Usage courant en E12 et 24 1/8W -> 3W -> 10M Fréquence ->10Mhz Moulées série E24 ->2W Vitrifiées: 13 à 320W CMS • • • ER/EN1- IUT GEII Prix faible 1/4W -> 2W 1 -> 10M Juan Bravo 24 Dispositifs électroniques Fonctions Electroniques Composants Electroniques Résistor Autres composants Potentiomètre composant principe symbole modèle Réseaux de résistances ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo 25 Dispositifs électroniques Fonctions Electroniques Composants Electroniques Condensateur Le composant structure céramique structure électrolytique Effet capacitif Accumulation de charges électriques sur les armatures Relation entre la charge stockée et la tension aux bornes du condensateur t t1 Q1 C.U1 Q C U U C V 1 2 [C] [F] [V] t t2 Q2 CU 2 Q C.U Symbole U Charge d’un électron e≈ - 1,602 ×10-19 C ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo 26 Dispositifs électroniques Fonctions Electroniques Composants Electroniques Condensateur Modèles A B i Condensateur idéal Il ne peut y avoir de discontinuité de tension aux bornes d’un condensateur dU AB iC dt U AB U AB Modèle hautes fréquences iC t dU AB dt Paramètre du condensateur Sa capacité normalisé ( utilisation des série E6 à E24 en ER) o marquage Marquage direct Marquage type exposant Marquage autre Marquage couleur en pF Du bon sens Utiliser la techno du condensateur La taille du condo donne une indication 1.0 Unité par défaut: picofarad (pF=𝟏𝟎−𝟏𝟐 ) ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo 27 Dispositifs électroniques Fonctions Electroniques Composants Electroniques Condensateur Tolérance o Piège 100k≠100.103 Code Lettre Tension nominale o Tension max à ne pas dépasser sous peine de claquage du diélectrique Technologie o Plastique – – Polyester polycarbonates.. Céramique o Tantale o Electrolytique …. o MKS, réalisée avec un isolant en polystyrène (polysulfone métallisé, styroflex, ...) tantale céramique multi-couches MKP polypropylène ER/EN1- IUT GEII CMS Juan Bravo . Électrolytiques polarisés 28 Dispositifs électroniques Fonctions Electroniques Composants Electroniques Condensateur Choisir la technologie ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo 29 Dispositifs électroniques Fonctions Electroniques Composants Electroniques Condensateur de découplage Des fils pas si parfaits Comportement inductif parasite problématique lors des transitoires de fonctionnement des circuits ou modélisation Une solution o Mise en // d’un ou plusieurs condensateurs de découplage – Si utilisation d’un C>qquF » mise en // de condo plastique ou céramique afin de diminuer la résistance série équivalente – Pour les grands bruiteurs utilisation de tantales (plus chers) + céramique en // Stratégie de découplage Au plus près du composant ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo 30 Dispositifs électroniques Fonctions Electroniques Composants Electroniques Condensateur: application Ne pas confondre la tension aux bornes du condensateur et la tension de sortie Charge d’un condensateur réponse à un échelon de tension Circuit intégrateur ( passe-bas) Circuit dérivateur( passe-haut) ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo 31 Dispositifs électroniques Fonctions Electroniques Composants Electroniques Bobine Le composant Effet inductif Un courant dans un conducteur crée un champ magnétique Le flux représente la quantité d’induction magnétique au travers d’une surface 𝝓 𝒕 = 𝑵𝝋 = 𝑳𝒊 𝒕 Symboles Modèle Bobine parfaite 𝑈𝐴𝐵 ER/EN1- IUT GEII i 𝑈𝐴𝐵 𝑑𝑖 =𝐿 𝑑𝑡 𝜙 𝑡 = 𝑁𝜑 = 𝐿𝑖 𝑡 ⇒ 𝑈 = Juan Bravo 𝑑𝜙 𝑑𝑡 =𝑁 𝑑𝜑 𝑑𝑡 =𝐿 𝑑𝑖 𝑑𝑡 32 Dispositifs électroniques Fonctions Electroniques Composants Electroniques Bobine Modèle HF Paramètres d’une bobine (self) Son inductance L Unité: [H] o Tolérance o Courant efficace ou courant continu Fréquence de travail o Notion de bande passante o Facteur de qualité: 𝑄 = ER/EN1- IUT GEII 𝐿𝑤 𝑟 Juan Bravo 33 Dispositifs électroniques Fonctions Electroniques Composants Electroniques Pile et accumulateurs Composants Objectif Alimenter en énergie des dispositifs électronique Stockage d’énergie sous forme électrochimique o accumulateur: stockage réversible / pile: non réversible Mise en série de cellules élémentaires pour former des batteries (d’accumulateurs) Symboles Modèle Source de tension parfaite i 𝑈𝐴𝐵 = 𝑐𝑠𝑡𝑒 ∀𝑖 𝑈𝐴𝐵 𝑈𝐴𝐵 i Différents symboles ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo 34 Dispositifs électroniques Fonctions Electroniques Composants Electroniques Pile et accumulateurs i Source de tension imparfaite A 𝑈𝐴𝐵 𝑈𝐴𝐵 = 𝑈𝑔 − 𝑅𝑖 𝑈𝐴𝐵 𝑈𝑔 i B Point de fonctionnement Interprétation graphique o Intersection entre les courbes générateur U=f(i) et récepteur U=g(i) I Hyperbole de dissipation maximale U u Le point de fonctionnement est défini par la solution (U0,I0) Pmax i Résolution analytique o Système de 2 équations à 2 inconnues 𝑈 = 𝑓 𝑖 = é𝑞𝑢𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑔é𝑛é𝑟𝑎𝑡𝑒𝑢𝑟 𝑈 = 𝑔 𝑖 = é𝑞𝑢𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo 35 Dispositifs électroniques Fonctions Electroniques Composants Electroniques Pile et accumulateurs: point de fonctionnement Stabilité du point de fonctionnement o Étude des variations lors d’une perturbation d’une des grandeurs électriques – Outils et étude en cours d’automatique 2ème année – Possibilité d’interprétation graphique pour conclure sur la stabilité Exemple de perturbations en courant u u Récepteur UG>UR i augmente P P UG<UR i diminue U Récepteur U Générateur Générateur i i I” I ER/EN1- IUT GEII I I’ Etude rapide: on passe de I à I’ => Ug<Ur=> i va diminuer => OK UG<UR i diminue Etude plus fine: on peut faire apparaître la trajectoire de U et I Même résultat OK Juan Bravo 36 Dispositifs électroniques Fonctions Electroniques Composants Electroniques Pile et accumulateurs Exemple 2: point NON STABLE On remarque ici que nous allons converger vers un nouveau point de fonctionnement non désiré Etude rapide: on passe de I à I’ => Ug<Ur=> i va diminuer => KO Trajectoire: KO Le point de fonctionnement est stable si la pente de la caractéristique du générateur est inférieure à celle du récepteur ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo 37 Dispositifs électroniques Fonctions Electroniques Composants Electroniques Semi-conducteurs discret Famille des diodes Redressement, source de tension, capacité contrôlée, source lumineuse Famille des transistors Interrupteurs commandés, source de courant contrôlée canal N canal P Transistors JFET Transistors bipolaires ER/EN1- IUT GEII Transistors MOS Transistors à effet de champs Juan Bravo 38 Dispositifs électroniques Fonctions Electroniques Composants Electroniques Semi-conducteurs composants Les fonctions logiques Divers Régulateur de tension Maintenir tension constante en sortie ER/EN1- IUT GEII Amplificateur opérationnel 555 Microcontrôleur Amplifier les signaux d’entrées Fonction astable et monostable Fonction de commande numérique Juan Bravo 39