etude de conception pluritechnique
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LES COMPOSANTS ELECTRONIQUES Sommaire • Le condensateur • La diode • Le transistor Bipolaire MosFet • Le thyristor le triac • Le régulateur de tension • Le relais • L’optoélectronique • Les circuits de logique •Les accumulateurs et piles Les condensateurs Symbole : Un condensateur est un composant électronique ou électrique dont l'intérêt de base est de pouvoir recevoir et rendre une charge électrique en peu de temps. Condensateur ( symbole général) Condensateur polarisé + -- Condensateur au papier métallise Condensateur a film plastique Charge d’un condensateur a travers une résistance. K R I C E Courbe de charge: Uc E Uc(t) = E ( 1- e-t/RC ) ·On appelle "constante de temps" t = RC Avec t en s, R en W et C en F 2/3 E t · E est constant. A l'instant t = 0 le condensateur est déchargé Uc = 0 Uc A la fermeture de K , la tension de charge du condensateur est définie par : t1 ·t1 = pour 2/3 de E Quand le condensateur est chargé Uc = E Décharge d’un condensateur a travers une résistance. K R I C Uc E est constant. · A l'instant t = 0 le condensateur est chargé : Uc = E A la fermeture de K , la décharge du condensateur est défini par : Uc(t) = E e Uc E -t/RC · Quand le condensateur est déchargé Uc = 0 E/3 t1 t t1 = pour 1/3 de E Formules Q, la quantité d'électricité "emmagasinée" par le condensateur est définie par: Q en Coulomb Q = C.U U en volt C en Farad mais aussi par : I Intensité absorbée en A Q = I.t t temps pendant lequel le condensateur emmagasine de l'électricité en s t peut être exprimé en heure si Q est en Ah Associations de condensateurs. •En série •La règle est inverse de celle des associations de résistances. • •1/Ceq = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + ... En parallèle •Ceq = C1 + C2 + C3 + ... DIODE La diode sert principalement au bon fonctionnement d’un circuit en empêchant la circulation du courant dans le mauvais sens. Symbole général : Identification du composant : Applications La diode, à la manière d'un clapet,elle ne permet le passage du courant que dans un sens. Le clapet est ouvert, le courant passe. Le clapet est fermé, le courant est bloquée. Schémas Schémas et formules Les caractéristiques idéale de la diode à jonction. La tension de seuil de la diode Vf0 = 0,7V Schémas La formule : Vg = Vd + Vr Les différentes diodes •Diode idéale : Elle est parfaitement conductrice, sa résistance directe est nulle, la chute de tension qu’elle produit est nulle aussi. •Diode réelle : C’est une diode presque idéale. •Diode de stabilisation de tension : Elle est comme son nom l’indique. •Diode Zéner : La tension inverse aux bornes de la diode reste constante à condition de maintenir son intensité inverse. •Diodes électroluminescentes : Voir Clément Lejeune. Le Transistor bipolaire Définition Un transistor bipolaire permet d’assurer le rôle d’amplificateur de courant, d’adaptateur de tension. Il existe différent boîtier de transistor : le X37, TO72, TO5, TO16, X10, TO220, TO3 Désignation Il existe deux types de représentation suivant le sens du courant : Relations Relation principale : Transistor bloqué : IE = IB + IC IB = 0 IC = ß x IB Avec ß un nombre entre 50 et 500 indiqué sur le transistor. Plus simplement un transistor bipolaire a deux positions : Transistor saturé : IB = IB sat -Le transistor est bloqué. Transistor sursaturé : IB = K x IB sat Avec K = 2 ou 3 ß sursaturé -Le transistor est en sursaturation. Applications Charge La base du transistor est relié à une résistance qui réduit le courant de base. L’émetteur est directement relié à la masse. Formules et schémas explicatifs En pratique, on cherche tout d’abord à calculer IC pour pouvoir ensuite calculer IB et enfin RB donc : •IC = Vcc / RC •IB = IC / B •IB = K x IB •RB = VRB / IB avec VRB = Vcmde - VBE Les transistors MOSFET Les transistors MOSFET sont des transistors à effet de champ à grille isolée, commandés par une tension appliquée sur sa grille. On en distingue deux types: canal P et canal N. Applications On intègre dans les circuits logiques ces transistors qui permettent la réalisation d’interrupteurs et d’inverseurs en commandant deux transistors montés en « push pull » (tirer et pousser) Schémas explicatifs Canal N Canal P drain Source grille grille Source drain Lorsque la tension grille-source est inférieure à la tension de seuil, le transistor ne conduit pas, on dit qu’il est bloqué. Dans le cas contraire il conduit le courant entre le drain et la source, on dit qu’il est passant. Mise en oeuvre R Vcc Ve Ve R Exemple d’application V+ 1 P Canal P entrée sortie N Canal N Entrée = V+ Entrée = 0V •Vgs N = V+ canal N est passant • Vgs N = 0V canal N est bloqué •Vgs P = 0V canal P est bloqué Vs = 0V • Vgs P = -V+ canal P est passant Vs = V+ Le thyristor. Le thyristor est un interrupteur électronique unidirectionnel, il devient conducteur suite à une impulsion électrique sur sa « gâchette » si le courant va de l’anode vers la cathode. Application. Caractéristique électrique I f(U) Déclenchement de la gâchette : Lorsque l’impulsion de la gâchette est suffisante en intensité et en durée la mise en conduction est rapide. Pour amorcer le thyristor : UAK > 0 Reste conducteur si : UAK < 0 et IAK < 0 Schéma électrique E Ich Charge < E~ A t Déclenche. Th Circuit de déclenchement de la gâchette G t C Ich t Le triac. Une fois enclenché par une impulsion sur la gâchette, le triac laisse passer le courant. Il permet de simplifier le montage : il est en quelque sorte constitué par 2thyristors montés en tête-bêche dans le même boîtier. Application. Le triac peut être comparé à 2 thyristors, la conduction peut se faire dans les deux sens du courant. Avec une impulsion sur la gâchette on rend le triac conducteur. Le triac supporte des tensions pouvant atteindre 800V. Il est commandé par un courant de gâchette IGT allant de 5 à 50 mA. Caractéristique électrique Schéma électrique Les relais Un relais est un appareil composé d’une bobine (électroaimant) qui lorsqu’elle est parcourue par un courant électrique agit sur un ou plusieurs contact: Types de contacts -contact à fermeture -contact à ouverture -contact unipolaire inverseur -contact bipolaire inverseur Abréviations ( NO ) ( NF ) ( 1R/T ) ( 2R/T ) Constitution Un relais " standard " est constitué d’une bobine ou solénoïde qui lorsqu’elle est sous tension attire par un phénomène électromagnétique une armature ferromagnétique qui déplace des contacts, voir figure et photo ci-dessous. Photo détaillée Figure explicative Fonctionnement Lorsque la bobine du relais est alimentée, l’armature mobile du relais actionne les contacts qui changent d’état. KM1 L Lorsque l’on appuie sur le bouton poussoir, on alimente la bobine qui ferme le contact. La lampe s’allume. Lorsque l’on relâche le bouton poussoir la lampe s’éteint. LE R GULATEUR DE TENSION La fonction régulation de tension a pour but de maintenir une tension de sortie constante en agissant sur la tension d’entrée. Les régulateurs de tension sont des composants qui assurent cette fonction. (Sortie) (Entrée) (Référence) Symbole On distingue deux types de régulateurs à trois broches : - les positifs, de type 78XX (qui sont les plus utilisés) - et les négatifs, de type 79XX Ex : si on souhaite obtenir une tension de +5 V, on utilisera un régulateur 7805 ou 78L05. Les 3 broches des régulateurs de tension. (1) Entrée (3) (1) (2) (2) Référence (3) Sortie TENSION DE SORTIE FIXE (exemple pour un régulateur 7805) Entrée Entrée Sortie 7805 Référence Ue Us +37 V +7 V +5 V Sortie Application : tension de sortie ajustable Entrée 1 LM 7805 Sortie 3 2 IO C1 0,33 μF R1 C2 R2 2V/R1 > 3 IO IO = 1,5 mA 0,01 μF Les diodes électroluminescentes et les afficheurs 7 segments I.Les diodes électroluminescentes Les LED ou DEL sont des composants électroniques qui sont capables d’émettre de la lumière quand un courant électriques les traverses. II.Les afficheurs 7 segments Les afficheurs 7 segments sont des afficheurs surtout numériques utilisant des LED pour fonctionner.Ils sont très présent dans les calculatrices et les montres. Applications Le montage de base d’une LED conciste à relier un générateur avec une résistance et enfin la LED. Un afficheur 7 segments est en fait un assemblage de LED et de résistance dirigé par un paqué de porte logique. Explications Qu’elle soit seule ou dans un afficheur, une DEL ne supporte pas: _ Les tensions inverse trop élevées ( 3à 5V ) _ Les intensité trop grandes ( 20 à 50 mA maximum ) _ Selon sa couleur une DEL supporte une certaine tension seuil ( moins, elle ne fonctionne pas et plus, elle expose ): I: infrarouge II: rouge III: orange IV: jaune V: vert VI: bleu VII: blanc Calculs Comment calculer la valeur de la résistance? En fait on utilise U=R*I mais on ajoute la tension de fonctionnement de la DEL. Donc U=R*I+Ud ce qui donne: R= (U-Ud)/I Exemple simple: Pour R= 5V; I= 2mA; et une DEL jaune donc Ud= 2v on a besoin d’une résistance de R=1.5KOhm Fonctionnement d’un afficheur 7 segments Un afficheur 7 segments est en fait un microcontrôleur relié à des DEL qui éclaire chacune un segment Selon les informations que l’on envoient aux différentes bornes, on allument différentes DEL ce qui permet de former différents chiffres Bien que la technologie des afficheurs 7 segments soit un peu en voie de disparition (à cause de l’expansion des LCD), on en trouve toujours beaucoup de nos jours (compteurs numérique). Les DEL, elles, on un belle avenir devant elles. Grâce à leurs faible consommation, leurs bonne durée de vie et leur taille, on peut vraiment tout faire avec ! LES COMPOSANTS LOGIQUES CMOS TTL TTL 7404 La famille TTL : transistor transistor logique. Elle utilise Des transistors bipolaires.Temps de propagation faible mais puissance élevé. Alimentation de 5V. Série des circuits intégré 7400 La famille CMOS : complementary metal oxide semiconductor. Utilise transistors à effet de champs. Temps de propagation élevé mais faible puissance. Alimentation entre 3 et 15V. Composants utilisant des portes logiques. Série des circuits intégré 4500 Caractéristiques électroniques Ent rée So rtie Ent rée So rtie Ent rée Ent rée So rtie So rtie Ent rée So rtie Ent rée So rtie Ent rée So rtie Ent rée So rtie 4,9V 3,5V 2,7V 2,4V 2V 1,5V 0,8V 0,4V Idéale 74XX 74LSXX 74ASXX 74ALSXX 40XX TTL "1" logique 74HCXX CMOS Indéterminé "0" logique 74HCTXX SCHEMA DE BRANCHEMENT 14 13 & 12 11 10 & 8 Les piles et accumulateurs Un accumulateur électrique est un dispositif destiné à stocker l'énergie électrique, sous forme électrique (condensateur) ou accumulateurs électrochimiques, parfois appelés à tort pile rechargeable. Accumulateur Plomb-acide Accumulateurs Ni-Cd (Nickel-cadmium) Lorsque l'on parle d'éléments rechargeables on utilise le terme d'accumulateur. On les distingue des piles électriques qui ne sont par définition pas rechargeables. Les piles fournissent la quantité d'électricité prévue à leur fabrication (aucune charge, ni préparation n'est nécessaire avant utilisation). Caractéristiques générales des accumulateurs électrochimiques La tension ou potentiel (en volt). Elle est de l'ordre de quelques volts pour un élément. • La capacité électrique est généralement indiquée en A.h (Ampère(s) pendant une heure), mais l'unité officielle (SI) est le coulomb. Elle se mesure dans la pratique par référence au temps de charge/décharge. • La technologie : - Plomb-acide - Ni-Cd (Nickel-cadmium) - Alcaline rechargeable - Ni-MH (Nickel-métal hydrure) - etc. Caractéristiques générales des accumulateurs électrochimiques • L’impédance interne, exprimée en ohm, impédance parasite qui limite le courant de décharge, ainsi que la fréquence de ce courant, en transformant en chaleur par effet joule une partie de l'énergie restituée. L'impédance est l’équivalent d’une résistance mais pour courant alternatif. Elle est généralement notée Z Z = U/I U=Tension efficace (V) I= Intensité efficace (A) Les piles alcalines Pile alcaline Contrairement aux mentions inscrites sur leurs emballages, les piles alcalines « non rechargeables » peuvent elles aussi être régénérées partiellement. Alcaline rechargeable Il existe une version améliorée dite alcaline rechargeable, spécifiquement destinée à être rechargée de nombreuses fois. Elles peuvent servir d'"accu de secours" grâce à leur longue durée de conservation de la charge hors utilisation. Par exemple pour les appareils photos. Tableau comparatif des différentes technologies Type Énergie massique Tension d'un élément Durée de vie (nombre de recharges) Temps de charge autodécharge par mois Plomb 30-35 Wh/kg 2V 200-300 8-16 h 5% Ni-Cd 40-55 Wh/kg 1,20 V 1 500 1h > 20 % Ni-MH 60-70 Wh/kg 1,20 V 300-600 2-4 h > 30 % Ni-Zn 70-80 Wh/kg 1,65 V > 1 000 1-3 h > 20 % 1-16 h (selon capacité) < 0,3 % Pile Alcaline 80-160 Wh/kg 1,50-1,65 V < 50 Li-ion 90-160 Wh/kg 3,7 V 500-700 2-4 h 10 % Li-Po 80-130 Wh/kg 3,7 V 300-500 2-4 h 10 %
