electronique industrielle resume table des matieres

ELECTRONIQUE INDUSTRIELLE
RESUME
L'électronique analogique date du début du siècle avec, comme premier composant
actif, le tube. Recherche fondamentale et évolution des technologies ont fait apparaître
les transistors dans les années 50, les circuits intégrés de « petit intégration » dans
les années 60 et de « grande intégration» dans les années 70.
Depuis plus d'une décennie, l'électronique numérique a « écrasé» l'électronique
analogique avec l'avènement du microprocesseur et de l'informatique industrielle.
Cependant, l'électronique analogique est toujours d'actualité, et l'industrie réclame des
techniciens connaissant cette discipline. Aussi la collection Electronique
analogique a pour objectif de sensibiliser les étudiants de première formation, de
formation permanente ainsi que les professeurs et les techniciens de l'industrie.
Chaque tome de la collection traite un sujet bien défini tel que l'électronique
industrielle, la boucle à verrouillage de phase, l'amplification en tension et puissance,
l'amplificateur opérationnel, les alimentations linéaires et à découpage, les filtres
électriques, les horloges et oscillateurs...
Des livres d'exercices et de manipulations «dirigées» compléteront la collection. Dans ces ouvrages, l'accent est mis, sur l'application.
Chaque thème est présenté qualitativement d'abord et quantitativement. ensuite. Les composants sont soit idéalisés, soit étudiés à
partir de caractéristiques réelles. Les nombreux schémas d'application constituent un atout pédagogique exceptionnel.
TABLE DES MATIERES
Chapitre 1. Généralités 1
1.1. Philosophie de l'électronique industrielle 1
1.2. Les fonctions de puissance 2
1.3. Les domaines d'application 3
1.3.1. Redresseurs et onduleurs assistés 3
1.3.2. Hacheurs 4
1.3.3. Onduleurs autonomes 4
1.3.4. Gradateurs et cycIoconvertisseurs 5
1.4. Principe de contrôle 5
Chapitre 2. Electromagnétisme 7
2.1. Relations fondamentales 7
2.2. Induction magnétique, propriétés magnétiques du courant 7
2.2.1. Aimentation naturelle 7
2.2.2. Circuits électriques parcourus par un courant 8
2.2.3. Définitions 9
2.2.4. Loi de Biot et Savart 9
2.2.5. Applications 10
2.2.6. Exercices 11
2.3. Flux d'induction magne tique 13
2.3.1. Relations 13
2.3.2. Exercices 14
2.4. Force d'induction ou force de Laplace 16
2.4.1. Action mécanique d'un champ sur un courant 16
2.4.1.1. Relations 16
2.4.1.2. Cas de deux conducteurs parallèles 17
2.4.1.3. Travail de la force électromagnétique 18
2.4.1.4. Exercices 19
2.4.2. Action mécanique d'un champ sur circuit ferme 20
2.4.2.1. Règle du flux maximum 20
2.4.2.2. Action d'un champ sur un cadre 20

2.4.2.2. Action d'un champ sur un cadre 20
2.5. Induction électromagnétique 21
2.5.1. Lois fondamentales 21
2.5.2. Application pour un circuit 22
2.5.3. Application pour un conducteur 23
2.5.4. Exercices 23
2.6. Auto-induction 25
2.6.1. Expérience 25
2.6.2. Définition de l'inductance 25
2.6.3. Etablissement du courant dans une inductance 26
2.6.4. Inductance d'un solénoïde 26
2.6.5. Energie emmagasinée dans une inductance 27
2.6.6. Inductance mutuelle dans l'air 28
2.6.7. Associations d'inductances 29
2.6.7.1. Sans mutuelle 29
2.6.7.2. Avec mutuelle 29
2.6.8. Exercices 30
Chapitre 3. Ferromagnétisme 35
3.1. Circuit magnétique linéaire 35
3.1.1. Rappel d'électromagnétisme 35
3.1.2. Circuit homogène de section constante et non saturé 36
3.1.3. Problèmes physiques de l'entrefer 37
3.1.4. Disposition de l'enroulement excitateur 37
3.1.5. Association série de tronçons magnétiques 38
3.1.6. Circuits magnétiques, non bobinés 39
3.1.7. Exercices 40
3.2. Circuit magnétique saturable 40
3.2.1. Courbes d'aimantation typiques 40
3.2.2. Phénomène d'hystérésis 40
3.2.3. Pertes dans un circuit magnétique 41
3.2.4. Aimants permanents 42
3.2.5. Caractéristiques magnétiques de certains matériaux 43
3.2.5.1. Courbes de magnétisme des fontes et aciers massifs utilisés dans
la construction des machines électriques 43
3.2.5.2. Courbes de magnétisme pour les tôles fer-silicium utilisées dans la
construction des machines électriques 43
Chapitre 4. Grandeurs périodiques 45
4.1. Définitions 45
4.1.1. Grandeur périodique 45
4.1.2. Valeur moyenne 45
4.1.3. Valeur efficace 45
4.1.4. Grandeurs sinusoïdales 46
4.1.5. Puissance reçue par un circuit 46
4.1.6. Rappel mathématique 47
4.1.7. Exercices 47
4.2. Représentation des grandeurs sinusoïdales 53
4.2.1. Représentation de Fresnel 53
4.2.1.1. Représentation vectorielle (courant-tension) d'éléments simples 53
4.2.1.2. Association d'éléments en série 55
4.2.1.3. Association d'éléments en parallèle 56
4.2.2. Exercices appliqués à la représentation de Fresnel 56
4.2.3. Représentation imaginaire 58
4.2.3.1. Rappel mathématique 58
4.2.3.2. Relations usuelles 59
4.2.3.3. Application à l'électricité 60
4.2.4. Exercices appliqués aux imaginaires 61
4.3. Réseaux monophasé et triphasé 63
4.3.1. Réseau monophasé 64
4.3.1.1. Représentation temporelle 64
4.3.1.2. Représentation de Fresnel 64
4.3.1.3. Puissances 65
4.3.1.4. Relèvement du facteur de puissance 65
4.3.2. Réseau triphasé 65
4.3.2.1. Représentation temporelle 66
4.3.2.2. Représentation de Fresnel 66
4.3.2.3. Montages étoile et triangle 67
4.3.2.4. Puissance en triphasé équilibré 68
4.3.3. Réseau diphasé 69

4.3.3. Réseau diphasé 69
4.3.4. Exercices 69
Chapitre 5. Machines électriques industrielles 75
5.1. Transformateur 75
5.1.1. Circuit magnétique en alternatif et f.é.m. induite 75
5.1.2. Transformateur d’alimentation 77
5.1.2.1. Transformateur parfait à vide 77
5.1.2.2. Transformateur parfait en charge 78
5.1.2.3. Transformateur réel 79
5.1.2.4. Détermination des éléments d’un transformateur d’alimentation faible
puissance 80
5.1.3. Transformateurs spéciaux 81
5.1.4. Transformateurs en électronique basse fréquence 82
5.1.5. Exercices 83
5.2. Eléments de mécanique 85
5.2.1. Couple ou moment d'une force 85
5.2.2. Puissance transmise en rotation 85
5.2.3. Couples résistants 85
5.2.4. Ensemble moteur + charge 86
5.3. Machines à courant continu 88
5.3.1. Génératrice à courant continu 88
5.3.1.1. Principe 88
5.3.1.2. Force électromotrice E 90
5.3.1.3. Caractéristiques électriques 92
5.3.2. Moteur à courant continu 93
5.3.2.1. Principe 93
5.3.2.2. Relations fondamentales 94
5.3.2.3. Caractéristiques des moteurs 96
5.3.2.4. Comparaison des caractéristiques des moteurs à courant continu 98
5.3.2.5. Exercices 98
5.4. Machines synchrones 100
5.4.1. Principe de l'alternateur monophasé 100
5.4.2. Moteur synchrone 101
5.4.2.1. Champ tournant 101
5.4.2.2. Principe du moteur synchrone 102
5.4.2.3. Couple moteur 103
5.4.3. Compensateur synchrone 103
5.5. Machines asynchrones 104
5.5.1. Principe 104
5.5.2. Moteur asynchrone triphasé 105
5.5.2.1. Constitution 105
5.5.2.2. Puissance et couple 105
5.5.3. Moteur asynchrone monophasé 108
5.5.4. Moteur asynchrone synchronisé 109
5.5.5. Génératrice asynchrone 109
5.5.6. Exercice 109
5.6. Moteur monophasé à collecteur 110
5.6.1. Fonctionnement du moteur continu série en alternatif 110
5.6.2. Caractéristiques du moteur universel 111
5.6.3. Avantages et inconvénients du moteur universel 112
5.7. Tableau de comparaison des moteurs 112
Chapitre 6. Machines électriques d'asservissement et de robotique 113
6.1. Moteurs à courant continu 113
6.1.1. Technologie actuelle 113
6.1.1.1. Matériaux à aimants permanents 113
6.1.1.2. Avantages apportés par les aimants 114
6.1.1.3. Domaines d'applications des moteurs à aimants permanents 114
6.1.1.4. Phénomène de démagnétisation 115
6.1.2. Caractéristiques électromécaniques 115
6.1.2.1. Equations fondamentales 115
6.1.2.2. Caractéristiques couple-vitesse 116
6.1.2.3. Fonction de transfert et constante de temps 118
6.1.2.4. Machines homothétiques 119
6.1.2.5. Caractéristiques vitesse-temps 119
6.1.3. Types de moteurs à courant continu 120
6.1.3.1. Moteur à rotor bobiné avec fer 120
6.1.3.2. Moteur à rotor bobiné sans fer 122

6.1.3.2. Moteur à rotor bobiné sans fer 122
6.1.3.3. Moteur à rotor de faible diamètre et grande longueur 122
6.1.3.4. Moteur à rotor a grand diamètre 123
6.1.3.5. Moteur à rotor discoïdal ou induit plat 124
6.1.4. Caractéristiques industrielles 124
6.1.5. Exemple de caractéristiques 125
6.2. La machine synchrone autopilotée 125
6.2.1. Limitations technologiques de la machine à courant continu 125
6.2.2. Remplacement de la machine à courant continu 125
6.2.3. Principe de la machine synchrone autopilotée 127
6.2.4. Alimentation de la machine synchrone 127
6.3. Moteurs à courant alternatif 128
6.3.1. Moteur diphasé 129
6.3.2. Moteur à bobine écran 129
6.3.3. Moteur synchronisé 130
6.3.4. Moteur à hystérésis 130
6.4. Moteurs pas à pas 131
6.4.1. Présentation 131
6.4.2. Systèmes reluctants 132
6.4.2.1. Systèmes reluctants non polarisés à bobine excitatrice 132
6.4.2.2. Systèmes reluctants polarisés 133
6.4.3. Types de moteurs pas à pas 134
6.4.3.1. Moteurs reluctants 135
6.4.3.2. Moteurs à aimant permanent 135
6.4.3.3. Moteurs hybrides ou reluctants polarisés 136
6.4.4. Caractéristiques des moteurs pas à pas 136
6.4.4.1. Comparaisons fondamentales 136
6.4.4.2. Définitions et terminologie 137
6.4.4.3. Caractéristiques communes 137
6.4.4.4. Phénomène d'oscillation 139
6.4.4.5. Paramètres de calculs et symbolisation 139
6.4.5. Moteurs pas à pas à reluctance variable 140
6.4.5.1. Moteur simple circuit 140
6.4.5.2. Moteur à trois circuits magnétiques distincts 141
6.4.6. Moteurs pas à pas à aimants permanents 143
6.4.6.1. Principe de fonctionnement et définitions 143
6.4.6.2. Couples 143
6.4.6.3. Réalisation 144
6.4.7. Moteurs pas à pas hybrides 149
6.4.8. Caractéristiques des moteurs 152
6.4.9. Moteurs pas à pas linéaires 152
6.4.9.1. Dispositions relatives 152
6.4.9.2. Moteur linéaire à aimant permanent 153
6.4.10. Moteurs pas à pas monophasés 154
6.4.10.1. Moteur à pôles ou dents asymétriques 154
6.4.10.2. Moteur à aimants auxiliaires 154
6.4.10.3. Moteur à spires en court-circuit 155
6.4.10.4. Exemples pratiques 155
6.5. Le stéréomoteur 155
6.6. L’évolution du moteur de faible puissance 157
Chapitre 7. Les composants de l’électronique de puissance 161
7.1. Diodes de redressement et diodes rapides 161
7.1.1. Présentation 161
7.1.2. Eléments parasites d’une diode 162
7.1.2.1. Diode bloquée, polarisée en inverse 162
7.1.2.2. Diode polarisée en direct 163
7.1.3. Diode en commutation 163
7.1.4. Conclusion 165
7.1.5. Caractéristiques de diodes 165
7.2. Transistors bipolaires de puissance 170
7.2.1. Caractéristiques et limitations 170
7.2.1.1. Rappel 170
7.2.1.2. Commutation 170
7.2.1.3. Limitations technologiques 172
7.2.2. Technologie de fabrication 175
7.2.2.1. Technologie homobase 175
7.2.2.2. Technologie a base épitaxiée 176
7.2.2.3. Technologie triple diffusée 176

7.2.2.3. Technologie triple diffusée 176
7.2.2.4. Technologie multi-émetteur (planar épitaxiée) 177
7.2.3. Aire de sécurité et aide à la commutation 177
7.2.3.1. Pertes dues à la commutation 177
7.2.3.2. Exemple de mauvaise commutation 178
7.2.3.3. Réseau d’aide à la commutation 179
7.2.4. Commande des transistors de puissance 179
7.2.4.1. Importance de la commande 179
7.2.4.2. Exemple de circuits de commande 179
7.2.5. Association des transistors 181
7.2.5.1. Mise en parallèle 181
7.2.5.2. Mise en série 184
7.2.6. Exemple de caractéristiques 184
7.3. Transistors Darlington de puissance 189
7.4. Transistors à effet de champ de puissance 192
7.4.1. Présentation et caractéristiques 192
7.4.2. Technologie 193
7.4.3. Transistor MOS en commutation 193
7.4.4. Aire de sécurité 193
7.4.5. Fonctionnement en parallèle 194
7.4.6. Commande des transistors 194
7.4.7. Applications des transistors MOS de puissance 195
7.4.8. Transistors de puissance MOS + bipolaire 195
7.4.9. Exemple de caractéristiques 196
7.5. Thyristors 196
7.5.1. Présentation 196
7.5.2. Caractéristiques 199
7.5.3. Protection des thyristors 200
7.5.3.1. Contre les surtensions 200
7.5.3.2. Contre les dv/dt 201
7.5.3.3. Contre les surintensités 201
7.5.3.4. Contre les di/dt à l’amorçage 201
7.5.4. Association des thyristors 201
7.5.4.1. Association série 201
7.5.4.2. Association parallèle 202
7.5.5. Thyristors a blocage: GTO 202
7.5.6. Conditions de bon fonctionnement d’un thyristor 202
7.5.6.1. Amorçage 202
7.5.6.2. Maintien 203
7.5.6.3. Blocage 203
7.5.7. Quelques circuits d'amorçage 203
7.5.7.1. Par transistor unijonction (UJT) 203
7.5.7.2. Par transformateur d’impulsions 204
7.5.8. Quelques circuits de blocage 205
7.5.8.1. Blocage par condensateur et thyristor secondaire 205
7.5.8.2. Blocage par circuit LC 206
7.5.8.3. Blocage par circuit LC commandé 206
7.5.8.4. Blocage par impulsions secondaires 206
7.5.9. Exemple de caractéristiques 207
7.6. Triac 207
7.6.1. Caractéristiques courant-tension 207
7.6.2. Types d'amorçages 210
7.6.3. Circuits d'amorçage 210
7.6.3.1. Pardiac 210
7.6.3.2. Par transformateur d'impulsions 211
7.6.3.3. Par circuit intégré 211
7.6.4. Parasites 211
7.6.5. Quelques caractéristiques de diac et triac 211
7.7. Tableau comparatif des caractéristiques des composants discrets 215
7.8. Circuits intégrés pour moteurs à courant continu
216
Chapitre 8. Comportement des condensateurs, inductances et transformateurs en régime
impulsionnel 219
8.1. Lois générales 219
8.1.1. Condensateur 219
8.1.2. Inductance 219
8.2. Charge et décharge d'un condensateur 220