aide-mémoire des composants électroniques
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TS EacuteLECTR
ON
IQU
ES
ISBN 2 10 048885 6
AIDE-MEacuteMOIRE DE LrsquoINGEacuteNIEUR
Pierre Mayeacute
COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES
PIERRE MAYEacute
est agreacutegeacute de physique et ingeacutenieur en eacutelectronique et eacutelectromeacutecaniqueIl enseigne en BTSdrsquoeacutelectronique agrave ArrasIl est lrsquoauteur de plusieursouvrages speacutecialiseacutesen eacutelectronique eteacutelectrotechnique
wwwdunodcom
Cet aide-meacutemoire deacutecrit de maniegravere simple etpratique les principales caracteacuteristiques descomposants de base analogiques ou logiques delrsquoeacutelectronique bull leurs proprieacuteteacutes physiques et leurs principes de
fonctionnement bull leurs caracteacuteristiques technologiques bull leurs domaines drsquoutilisation agrave travers des
applications concregravetesCette 3e eacutedition revue et actualiseacutee propose unnouveau chapitre traitant des thyristors et des triacsAvec pregraves de 150 scheacutemas un panorama desdiffeacuterentes sources drsquoinformations techniques et unindex deacutetailleacute lrsquoouvrage constitue un preacutecieux outilde travail pour tous les eacutelectroniciens deacutebutants ouconfirmeacutes ainsi que pour les techniciens nonspeacutecialistes du domaine
3 e eacutedition deConnaicirctre les composantseacutelectroniques
3e eacutedition
Composants eacutelectroniques
Aide-meacutemoire
Mayeacute Page I Jeudi 20 janvier 2005 244 14
C
HEZ
LE
MEcircME
EacuteDITEUR
Hermann Schreiber
Lrsquoeacutelectronique par la scheacutema
416 p
Roger Bourgeron
2000 scheacutemas et circuits eacutelectroniques
600 p
Bogdar Grabowski
Aide-meacutemoire drsquoeacutelectronique
528 p
Mayeacute Page II Jeudi 20 janvier 2005 244 14
Pierre Mayeacute
Aide-meacutemoire
Composants eacutelectroniques
3
e
eacutedition
Mayeacute Page III Jeudi 20 janvier 2005 244 14
D
U
MEcircME
AUTEUR
Les Infrarouges en eacutelectronique
Dunod 2003
Optoeacutelectronique industrielle
Dunod 2001
Moteurs eacutelectroniques
Dunod 2001
Les Alimentations eacutelectroniques
Dunod 2001
LrsquoEacutelectronique par lrsquoexpeacuterience
Dunod 2000
Illustrations Alain et Ursula B
OUTEVEILLE
copy Dunod Paris 2005
copy Dunod Paris 2000copy Freacutequences Paris 1989 pour la premiegravere eacutedition
ISBN 2 10 048885 6
Mayeacute Page IV Jeudi 20 janvier 2005 244 14
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DES
MATIEgraveRES
I
NTRODUCTION
1
C
HAPITRE
1 - R
EacuteSISTANCES
ET
POTENTIOMEgraveTRES
3
11 Principe et proprieacuteteacutes 3Loi drsquoOhm 3Reacutesistiviteacute 4Effet Joule 5Symboles 5Associations de reacutesistances 5
12 Caracteacuteristiques technologiques (reacutesistances fixes) 8
Preacutecision 8Valeurs normaliseacutees 8Marquage 10Puissance maximale 13Technologies 13
13 Reacutesistances variables 14Potentiomegravetres de reacuteglage 14Reacutesistances ajustables 15
14 Domaines drsquoutilisation 16
T
C
ONNAIcircTRE
LES
COMPOSANTS
EacuteLECTRONIQUES
VI
C
HAPITRE
2 - C
ONDENSATEURS
29
21 Principe et proprieacuteteacutes 29Capaciteacute 29Eacutenergie emmagasineacutee 30Symbole 30Associations de condensateurs 31Courbes de charge et de deacutecharge 34Comportement en alternatif 38
22 Caracteacuteristiques technologiques 40Valeurs et preacutecision 40Tension maximale 40Marquage 40Technologies 41Condensateurs variables 44
23 Domaines drsquoutilisation 44
C
HAPITRE
3 - B
OBINES
ET
TRANSFORMATEURS
55
31 Principe et proprieacuteteacutes 55Inductance 55Eacutenergie emmagasineacutee 56Non-lineacuteariteacute 57Symboles 57Associations 57Transformateur 57Eacutetablissement du courant dans une bobine 60Bobine en alternatif 63
32 Caracteacuteristiques technologiques 64Bobines agrave noyau de fer 64Bobines agrave noyau de ferrite 66Bobines agrave air 69
33 Domaines drsquoutilisation 69
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DES
MATIEgraveRES
VII
C
HAPITRE
4 - D
IODES
77
41 Principes et proprieacuteteacutes 77Constitution 77Symboles 77Fonctionnement 78Diode Zener 79Diode varicap 80Photodiode 81Diode eacutelectroluminescente 82
42 Caracteacuteristiques technologiques 83Limites de fonctionnement 83Marquage 84Ponts mouleacutes 84
43 Domaines drsquoutilisation 84
C
HAPITRE
5 - T
RANSISTORS
97
51 Principe et proprieacuteteacutes 97Transistors bipolaires 97Transistors agrave effet de champ agrave jonction 103Transistors MOS 104Phototransistors 105Photocoupleurs 106
52 Caracteacuteristiques technologiques 106Transistors bipolaires 106Transistors agrave effet de champ 107Transistors MOS 107Transistors dans les circuits inteacutegreacutes 107Critegraveres de choix 108Boicirctiers 109
53 Domaines drsquoutilisation 110
C
ONNAIcircTRE
LES
COMPOSANTS
EacuteLECTRONIQUES
VIII
C
HAPITRE
6 - T
HYRISTORS
ET
TRIACS
119
61 Principe et proprieacuteteacutes 119Thyristors 119Triacs 121
62 Caracteacuteristiques technologiques 124Critegraveres de choix 124Boicirctiers 124
63 Domaines drsquoutilisation 124Avertissement important 124Montages agrave thyristors 124Montages agrave triacs 126
C
HAPITRE
7 - C
IRCUITS
INTEacuteGREacuteS
ANALOGIQUES
131
71 Geacuteneacuteraliteacutes 13172 Amplificateur opeacuterationnel 13473 Reacutegulateur de tension 14074 Convertisseur agrave deacutecoupage 14375 Temporisateur 145
C
HAPITRE
8 - C
IRCUITS
INTEacuteGREacuteS
LOGIQUES
147
81 Geacuteneacuteraliteacutes 14782 Circuits combinatoires 15083 Circuits seacutequentiels 15484 Astables et monostables 155
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DES
MATIEgraveRES
IX
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HAPITRE
9 - D
OCUMENTATION
SUR
LES
COMPOSANTS
161
91 Diverses formes de documents 161Documents sur papier 161Documents informatiques 162Sites Internet 163
92 Contenu drsquoune notice technique 164
I
NDEX
167
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NTRODUCTION
Bien connaicirctre les composants est une condition neacutecessaire agrave laconception et agrave la reacutealisation des montages eacutelectroniques Cetouvrage permet au deacutebutant drsquoacqueacuterir quelques solides notions surles composants les plus reacutepandus On y trouve les principes et lescaracteacuteristiques technologiques mais aussi des indications sur lesapplications les plus freacutequentes On peut se servir de ce livre poursrsquoinitier aux diffeacuterents composants eacutelectroniques mais crsquoest eacutegale-ment un petit aide-meacutemoire agrave consulter lorsque cela est neacutecessaire
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HAP ITRE
1
EacuteSISTANCES
ET
POTENTIOMEgraveTRES
Tregraves visibles gracircce agrave leurs anneaux de diffeacuterentes couleurs lesreacutesistances sont des composants que lrsquoon remarque tout de suite surpratiquement toutes les cartes eacutelectroniques Malgreacute leur comporte-ment extrecircmement simple les reacutesistances restent les eacuteleacutements lesplus reacutepandus de lrsquoeacutelectronique
11 Principe et proprieacuteteacutes
Loi drsquoOhm
Une reacutesistance est un dipocircle (composant agrave deux bornes) tel que latension
U
agrave ses bornes est proportionnelle au courant
I
qui letraverse (loi drsquoOhm)
U
=
RI
Le coefficient de proportionnaliteacute
R
est appeleacute reacutesistance du dipocircleUne ambiguiumlteacute existe en franccedilais puisque lrsquoon deacutesigne par le mecircmemot lrsquoobjet et un nombre
R
qui le caracteacuterise La langue anglaiseeacutevite ce problegraveme en deacutesignant lrsquoeacuteleacutement par
resistor
et le nombrepar
resistance
Ce coefficient
R
chiffre la plus ou moins grande diffi-culteacute que rencontre le courant eacutelectrique pour traverser le dipocircleLrsquouniteacute de reacutesistance est lrsquoohm (symbole
Ω
) du nom du physicienallemand G S Ohm qui a eacutetudieacute les lois des circuits eacutelectriquesDevant la diversiteacute des valeurs des reacutesistances on emploie les multi-ples et eacuteventuellement les sous-multiples de lrsquoohm Les correspon-dances sont donneacutees dans le
tableau 11
R
C
ONNAIcircTRE
LES
COMPOSANTS
EacuteLECTRONIQUES
4
Pour les composants eacutelectroniques on utilise surtout le kilo-ohm etle meacutegohm Le milliohm apparaicirct seulement pour chiffrer desreacutesistances parasites comme les reacutesistances de contact Les fils deliaison dans les montages eacutelectroniques sont des conducteurs de tregravesfaible reacutesistance On peut en geacuteneacuteral consideacuterer que la tension agraveleurs bornes est neacutegligeable quel que soit le courant qui les traverse tout se passe comme si la reacutesistance eacutetait nulle on dit qursquoil srsquoagitdrsquoun court-circuit
Reacutesistiviteacute
La reacutesistance deacutepend agrave la fois des dimensions du conducteur et desa nature Par exemple la reacutesistance drsquoun fil (
figure 11
) est propor-tionnelle agrave sa longueur
l
et inversement proportionnelle agrave sasection
s
Tableau 11 ndash Multiples et sous-multiples de lrsquoohm
Nom Symbole Valeur en
Ω
Milliohm m
Ω
0001
Kilo-ohm k
Ω
1 000
Meacutegohm M
Ω
1 000 000
R ρ ls---=
Figure 11 ndash Reacutesistance drsquoun fil conducteur
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C
HAPITRE
1 - R
EacuteSISTANCES
ET
POTENTIOMEgraveTRES
5
Le coefficient
ρ
est caracteacuteristique drsquoun mateacuteriau donneacute et senomme reacutesistiviteacute Lrsquouniteacute de reacutesistiviteacute est lrsquoohm-megravetre (symbole
Ωsdot
m) puisque
l
srsquoexprime en megravetres et
s
en megravetres carreacutes
Effet Joule
Un pheacutenomegravene important dans une reacutesistance est lrsquoeffet Joule (dunom drsquoun physicien anglais qui a eacutetudieacute les lois de la chaleur) Unereacutesistance parcourue par un courant consomme une eacutenergie eacutelectri-que et la transforme en chaleur La puissance correspondante (quicorrespond agrave un deacutebit drsquoeacutenergie) srsquoexprime par lrsquoune des troisformules eacutequivalentes gracircce agrave la loi drsquoOhm
Lrsquouniteacute de puissance est le watt (symbole W) On emploie assezsouvent en eacutelectronique son sous-multiple le milliwatt (mW) quivaut 0001 W La puissance dissipeacutee par effet Joule dans un compo-sant est un problegraveme important en eacutelectronique Tout drsquoabord ilsrsquoagit drsquoune puissance perdue pour le circuit eacutelectrique et qui doitdonc lui ecirctre fournie (en geacuteneacuteral par une source de tension conti-nue) et ensuite il se pose souvent un problegraveme drsquoeacutevacuation de lachaleur creacuteeacutee car les petites dimensions des montages rendent diffi-ciles les eacutechanges thermiques Ces questions se posent essentielle-ment pour les montages qui traitent des courants assez eacuteleveacutescomme les amplificateurs de puissance ou les alimentations
Symboles
Sur les scheacutemas les reacutesistances sont repreacutesenteacutees par leur symbolenormaliseacute (
figure 12
) ou souvent par un autre symbole (
figure 13
)
Associations de reacutesistances
Association en seacuterie
On peut brancher deux reacutesistances R
1
et R
2
en seacuterie (
figure 14
)
P UI RI 2 U
2
R--------= = =
C
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LES
COMPOSANTS
EacuteLECTRONIQUES
6
Le courant est le mecircme dans les deux eacuteleacutements mais les tensions agraveleurs bornes srsquoajoutent Une double application de la loi drsquoOhmmontre que le dipocircle reacutesultant se comporte comme une reacutesistancedont la valeur est
R
=
R
1
+
R
2
Cette loi peut se geacuteneacuteraliser agrave plusieurs conducteurs en seacuterie
R
=
R
1
+
R
2
+
R
3
+ hellip
Figure 12 ndash Symbole normaliseacute drsquoune reacutesistance
Figure 13 ndash Symbole courant drsquoune reacutesistance
Figure 14 ndash Association de deux reacutesistances en seacuterie
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HAPITRE
1 - R
EacuteSISTANCES
ET
POTENTIOMEgraveTRES
7
Association en parallegravele
Le deuxiegraveme mode drsquoassociation de reacutesistances est le branchementen parallegravele (
figure 15
)
La tension est la mecircme pour les deux eacuteleacutements mais les courantsqui les traversent srsquoajoutent On a ici gracircce agrave la loi drsquoOhm
Pour plusieurs reacutesistances on a de mecircme
Dans le cas de deux reacutesistances on peut facilement obtenir
R
par laformule
Cas des reacutesistances de mecircme valeur
Un cas particulier inteacuteressant est celui ougrave les reacutesistances sontidentiques deux reacutesistances en seacuterie donnent une reacutesistance devaleur double et deux reacutesistances en parallegravele eacutequivalent agrave une reacutesis-tance de valeur moitieacute
Figure 15 ndash Association de deux reacutesistances en parallegravele
1R--- 1
R1------ 1
R2------+=
1R--- 1
R1------ 1
R2------ 1
R3------ hellip+ + +=
RR1R2
R1 R2+------------------=
C
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LES
COMPOSANTS
EacuteLECTRONIQUES
8
12 Caracteacuteristiques technologiques (reacutesistances fixes)
Preacutecision
Le nombre indiqueacute sur le composant est la valeur nominale de lareacutesistance Du fait des toleacuterances de fabrication la reacutesistance reacuteelleest un peu diffeacuterente Les constructeurs donnent une fourchettedans laquelle peut se trouver cette valeur Lrsquointervalle est deacutefini parun pourcentage de la reacutesistance nominale qui indique lrsquoeacutecart maxi-mal en plus ou en moins qursquoil peut y avoir entre la valeur reacuteelle etla valeur nominalePar exemple un composant marqueacute 10 k
Ω
5 peut avoir unereacutesistance reacuteelle comprise entre 95 k
Ω
et 105 k
Ω
puisque 5 de10 k
Ω
correspond agrave un eacutecart possible de 05 k
Ω
Valeurs normaliseacuteesDu fait de la toleacuterance qui existe sur les valeurs de reacutesistances il estinutile de disposer drsquoun trop grand nombre de composants diffeacute-rents En effet avec lrsquoexemple preacuteceacutedent on voit que la valeur nomi-nale 105 kΩ ne servirait agrave rien puisqursquoune reacutesistance reacuteelle de cetype pourrait ecirctre identique agrave un eacuteleacutement marqueacute 10 kΩAinsi on ne fabrique que des reacutesistances de certaines valeurs appar-tenant agrave des seacuteries normaliseacutees conccedilues de telle faccedilon qursquoil y ait toutjuste recouvrement des intervalles possibles pour les valeurs reacuteellescorrespondant agrave des valeurs nominales conseacutecutivesPar exemple dans la seacuterie de preacutecision 5 la valeur qui suit 10 kΩest 11 kΩ La reacutesistance minimale que peut atteindre le composantmarqueacute 11 kΩ est 1045 kΩ (lrsquoeacutecart par rapport agrave la valeur nominaleest 5 de 11 kΩ soit 055 kΩ) Le recouvrement nrsquointervientqursquoentre 1045 kΩ et 105 kΩ ce qui est pratiquement neacutegligeableAgrave chaque toleacuterance correspond une seacuterie normaliseacutee Le tableau 12donne les diffeacuterentes progressions utiliseacutees Les seacuteries sont deacutesigneacuteespar E6 E12hellip On indique ainsi le nombre de valeurs dans unedeacutecade (par exemple entre 10 et 100 100 non compris) Le tableaufournit les valeurs comprises entre 10 et 100 mais il suffit drsquoajouter oude retrancher des zeacuteros pour obtenir toutes les reacutesistances possibles
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CHAPITRE 1 - REacuteSISTANCES ET POTENTIOMEgraveTRES 9
Les composants courants ont une toleacuterance de 5 et mecircme de10 pour les expeacuterimentations ordinaires On fait parfois appel agravedes reacutesistances de preacutecision en geacuteneacuteral agrave 1 ou agrave 2 Pour des applications speacutecifiques (eacutetalonnages) on trouve deseacuteleacutements tregraves preacutecis 01 par exempleLes reacutesistances sont normalement disponibles entre quelques dixiegrave-mes drsquoohm et quelques dizaines de meacutegohms mais les valeurscourantes ne descendent pas en dessous de quelques ohms et nevont pas au-delagrave de quelques meacutegohms
Tableau 12 ndash Valeurs normaliseacutees
Progressions Toleacuterances Seacuteries normaliseacutees
E3 10 22 47
E6 plusmn 20 10 15 22 33 47 68
E12 plusmn 10 10 12 15 18 22 27 33 39 47 56 68 82
E24 plusmn 5 10 11 12 13 15 16 18 20 22 24 27 30 33 36 39 43 47 51 56 62 68 75 82 91
E48 plusmn 2 100 105 110 115 121 127 133 140 147 154 162 169 178 187 196 205 215 226 237 249 261 274 287 301 316 332 348 365 383 402 422 442 464 487 511 536 562 590 619 649 681 715 750 787 825 866 909 953
E96 plusmn 1 100 102 105 107 110 113 115 118 121 124 127 130 133 137 140 143 147 150 154 158 162 165 169 174 178 182 187 191 196 200 205 210 215 221 226 232 237 243 249 255 261 267 274 280 287 294 301 309 316 324 332 340 348 357 365 374 383 392 402 412 422 432 442 453 464 475 487 499 511 523 536 549 562 576 590 604 619 634 649 665 681 698 715 732 750 768 787 806 825 845 866 887 909 931 953 976
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES10
MarquageLes reacutesistances sont en geacuteneacuteral identifieacutees par diffeacuterents anneaux decouleur traceacutes sur le corps du composant qui indiquent la valeurnominale et la toleacuterance Les eacuteleacutements ordinaires (5 ou 10 )comportent quatre anneaux (figure 16) tandis que les eacuteleacutements depreacutecision (1 ou 2 ) en ont cinq (figure 17)
Figure 16 ndash Marquage drsquoune reacutesistance agrave 5 ou 10
Figure 17 ndash Marquage drsquoune reacutesistance agrave 1 ou 2
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CHAPITRE 1 - REacuteSISTANCES ET POTENTIOMEgraveTRES 11
Chaque couleur correspond agrave un chiffre ainsi qursquoil est indiqueacute dansle tableau 13 Il faut faire attention au sens de lecture le dernieranneau est un peu seacutepareacute des autres
Consideacuterons un premier exemple (figure 18) Les deux premiersanneaux indiquent les chiffres significatifs de la valeur nominale dela reacutesistance jaune correspond agrave 4 et violet agrave 7 Le troisiegraveme anneaudeacutefinit le multiplicateur orange signifie times 1 kΩ La reacutesistance nomi-nale est donc 47 kΩ La preacutecision est donneacutee par le quatriegravemeanneau or correspond agrave 5
Tableau 13 ndash Code des couleurs pour le marquage des reacutesistances
Couleur 1er chiffre 2e chiffre 3e chiffre (eacuteventuel) Multiplicateur Toleacuterance
Argent times 001 Ω 10
Or times 01 Ω 5
Noir 0 0 times 1 Ω 20
Marron 1 1 1 times 10 Ω 1
Rouge 2 2 2 times 100 Ω 2
Orange 3 3 3 times 1 kΩ
Jaune 4 4 4 times 10 kΩ
Vert 5 5 5 times 100 kΩ
Bleu 6 6 6 times 1 MΩ
Violet 7 7 7
Gris 8 8 8
Blanc 9 9 9
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES12
Prenons un autre exemple (figure 19) Il srsquoagit drsquoune reacutesistance depreacutecision puisque son marquage comporte cinq bandes Les troispremiegraveres indiquent les chiffres significatifs de la valeur nominale blanc orange et marron soit 931 La quatriegraveme bande donne lemultiplicateur noir signifie times 1 Ω La reacutesistance nominale est donc931 Ω La toleacuterance est indiqueacutee par le dernier anneau marronpour 1
Figure 18 ndash Exemple de marquage reacutesistance 47 kΩ 5
Figure 19 ndash Exemple de marquage reacutesistance 931 Ω 1
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CHAPITRE 1 - REacuteSISTANCES ET POTENTIOMEgraveTRES 13
Puissance maximaleComme on lrsquoa dit plus haut une reacutesistance dissipe une certainepuissance sous forme thermique crsquoest lrsquoeffet Joule Pour uncomposant donneacute il existe une limite technologique de dissipationSi lrsquoon deacutepasse cette puissance maximale autoriseacutee lrsquoeacuteleacutement risquede se deacutegrader sa reacutesistance est modifieacutee sans que cela changeforceacutement lrsquoaspect du composant Si la limite est fortementdeacutepasseacutee la reacutesistance noircit et peut mecircme se deacutetruire Lesreacutesistances ordinaires ont une puissance maximale de W Onutilise eacutegalement des reacutesistances de puissance supeacuterieure lorsquecrsquoest neacutecessaire W 1 W 2 W 5 W Les eacuteleacutements de puissancesont nettement plus encombrants sur les circuits imprimeacutes eteacutevidemment plus chers Il importe donc de chiffrer correctement lapuissance neacutecessaire afin drsquoutiliser ces composants agrave bon escientOn peut employer une des trois formules citeacutees plus haut Parexemple on branche une reacutesistance de 47 kΩ sous une tensioncontinue de 12 V La puissance dissipeacutee par effet Joule est alors
Une reacutesistance W convient parfaitement Sous la mecircme tensionde 12 V on connecte un eacuteleacutement de 470 Ω La puissance est dansce cas
Une dissipation de W est insuffisante Il faut au moins WOn voit que lrsquoon a inteacuterecirct agrave choisir des reacutesistances de valeurs eacuteleveacuteeslorsque crsquoest possible les puissances dissipeacutees restent alors faibles
TechnologiesDe nombreuses technologies existent pour la fabrication des reacutesis-tances mais seules quelques-unes apparaissent freacutequemment
14
12
P 122
4 700------------- 003 W= =
14
P 122
470--------- 03 W= =
1412
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES14
Les reacutesistances agrave couche de carbone sont de loin les plus reacutepanduesElles sont destineacutees agrave tous les usages courants Leurs performancessont correctes et leur prix est faible On les rencontre dans desgammes de preacutecision moyenne 5 par exemple La dissipationmaximale peut aller jusqursquoagrave 2 W (on trouve essentiellement W
W 1 W et 2 W) Ces reacutesistances sont toujours marqueacutees par lecode des couleurs En lrsquoabsence drsquoindication contraire les reacutesistancesrencontreacutees sur les scheacutemas sont agrave couche de carboneLes reacutesistances agrave couche meacutetallique ont des caracteacuteristiques supeacuterieu-res mais leur prix est un peu plus eacuteleveacute Elles sont destineacutees auxapplications professionnelles et elles prennent une part croissante dumarcheacute Leur preacutecision est bonne parfois 5 mais aussi 2 ou1 Ces reacutesistances ont une bonne stabiliteacute (crsquoest-agrave-dire que leurvaleur ne se modifie pas beaucoup au cours du temps) Certainesfabrications de ce type sont mecircme agrave haute stabiliteacute La dissipationmaximale peut aller jusqursquoagrave 1 W ou 2 W Le marquage est parfoiseffectueacute avec le code des couleurs mais les seacuteries de preacutecision sontsouvent marqueacutees en clair la valeur et la toleacuterance sont indiqueacutees enchiffres sur le corps du composant (par exemple 1 kΩ plusmn 1)Pour des puissances plus eacuteleveacutees on dispose de reacutesistances bobineacuteesOn rencontre diffeacuterentes preacutesentations suivant les puissances et lesperformances reacutesistances mouleacutees vitrifieacuteeshellip Les dissipationssont de quelques watts quelques dizaines de watts ou plus Lemarquage est en clair Les toleacuterances sont assez moyennes (10 5 hellip ) bien qursquoil existe des seacuteries de bonne preacutecision mais agrave desprix eacuteleveacutes Les reacutesistances bobineacutees drsquousage courant ne sont pasutilisables aux hautes freacutequences car elles sont inductives
13 Reacutesistances variablesPotentiomegravetres de reacuteglage
Ces eacuteleacutements sont utiliseacutes lorsque lrsquoon veut pouvoir reacutegler manuelle-ment un paramegravetre eacutelectrique de faccedilon reacuteguliegravere Ils sont en geacuteneacuteralconstitueacutes drsquoun axe relieacute agrave un curseur qui se deacuteplace sur une piste de
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on a
utor
iseacutee
est
un
deacutelit
CHAPITRE 1 - REacuteSISTANCES ET POTENTIOMEgraveTRES 15
carbone de forme circulaire On trouve les potentiomegravetres courantsdans la seacuterie E3 (valeurs 1 22 47) avec une toleacuterance de 20 Les valeurs srsquoeacutechelonnent entre 100 Ω et 47 MΩ La puissance estcouramment de W et peut parfois aller jusque 1 W Le plussouvent la loi de variation est lineacuteaire crsquoest-agrave-dire que la reacutesistancecomprise entre le curseur et une extreacutemiteacute du potentiomegravetre estproportionnelle agrave la rotation de lrsquoaxe mais on trouve aussi des loisnon lineacuteaires pour des applications particuliegraveres la loi logarithmi-que est notamment employeacutee en audio Enfin le potentiomegravetrepeut ecirctre eacuteventuellement muni drsquoun interrupteurOn utilise aussi parfois des potentiomegravetres agrave glissiegravere notammentsur certains appareils audio La piste de carbone est rectiligne aulieu drsquoecirctre circulaire Le curseur se deacuteplace simplement en transla-tion le long drsquoune glissiegraverePour des puissances plus eacuteleveacutees on trouve des potentiomegravetresbobineacutes Les dissipations sont de quelques watts ou quelques dizai-nes de watts parfois plus Les valeurs sont en geacuteneacuteral celles de laseacuterie E3Lorsqursquoune grande preacutecision de reacuteglage est neacutecessaire on fait appelagrave des potentiomegravetres multitours Lrsquoaxe commande une vis agrave faiblepas On y adapte eacuteventuellement un bouton compte-tours quipermet de bien repeacuterer une valeur de reacuteglage Ces composants sonteacutevidemment drsquoun coucirct beaucoup plus eacuteleveacute que les reacutesistancesvariables ordinaires et leur emploi est limiteacute
Reacutesistances ajustablesCes composants sont ajusteacutes agrave la construction de lrsquoappareil ou lorsde reacuteglages occasionnels mais ne font pas lrsquoobjet drsquoun usagereacutegulier Les reacutesistances ajustables sont formeacutees drsquoun curseur quifrotte sur une piste de carbone mais ne possegravedent pas drsquoaxe Il fautse munir drsquoun tournevis pour les actionner De faible encombre-ment sur les circuits imprimeacutes (souvent 1 cm) les ajustables sontdisponibles en deux versions lrsquoune agrave cacircbler horizontalement (solu-tion la moins fragile) lrsquoautre agrave cacircbler verticalement (solution lamoins encombrante) Les valeurs srsquoeacutechelonnent entre 100 Ω et
14
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES16
47 MΩ en seacuterie E3 La dissipation maximale est de W pourles petits modegraveles W pour des composants un peu plus grandsPour les applications professionnelles on trouve des composants demeilleures performances (par exemple les ajustables Cermet)Enfin lorsqursquoune bonne preacutecision de reacuteglage est neacutecessaire on faitappel agrave des ajustables multitours (parfois appeleacutes trimmers) Unevis micromeacutetrique permet de deacuteplacer le curseur sur une piste recti-ligne Cette vis doit ecirctre manœuvreacutee par un petit tournevis Onrencontre souvent des ajustables 10 tours mais drsquoautres modegravelessont disponibles Leur prix est toutefois assez eacuteleveacute
14 Domaines drsquoutilisationIl est difficile de donner une liste exhaustive des usages possiblespour les reacutesistances et les potentiomegravetres On rencontre en effet cescomposants dans pratiquement tous les montages eacutelectroniquesdans des configurations tregraves diverses Les reacutesistances sont souventassocieacutees agrave drsquoautres eacuteleacutements aussi de nombreux exemples apparaicirc-tront dans les chapitres suivants agrave propos des applications de diverscomposants On peut toutefois essayer de comprendre le rocircle desreacutesistances dans diffeacuterents casUne reacutesistance eacutetablit une relation de proportionnaliteacute entre uncourant et une tension crsquoest la loi drsquoOhm Si lrsquoon applique unetension constante aux bornes drsquoune reacutesistance on fixe le courantqui la traverse (figure 110)Par exemple on a brancheacute une reacutesistance de 10 kΩ aux bornesdrsquoune source de tension continue de 10 V Le courant qui parcourtla maille est
soit 1 mA
On a effectueacute la conversion drsquoune tension en un courant La fonc-tion inverse est elle aussi possible on peut convertir un courant enune tension Un exemple drsquoapplication est rencontreacute dans un
11014
I 1010 000----------------
11 000------------- A= =
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CHAPITRE 1 - REacuteSISTANCES ET POTENTIOMEgraveTRES 17
convertisseur numeacuteriqueanalogique (CNA) crsquoest un circuit quipermet drsquoobtenir un courant deacutependant de lrsquoeacutetat logique de diffeacuteren-tes entreacutees (figure 111)Ainsi pour un convertisseur 4 bits pour lequel toutes les entreacuteessont agrave lrsquoeacutetat logique 1 on a
I0 est une constante fixeacutee dans le montage Par exemple avecI0 = 1 mA on obtient
Figure 110 ndash Reacutesistance soumise agrave une tension constante
Figure 111 ndash Conversion du courant de sortie drsquoun CNA en tension
I 12--- 1
4--- 1
8--- 1
16------+ + +
I0=
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES18
Si la reacutesistance R vaut 10 kΩ on a une tension eacutegale agrave
U = 10 times 094 = 9 V
Pour une autre valeur des bits drsquoentreacutee on a une autre expression ducourant de sortie et donc une autre tension Par exemple si le premierbit (celui de plus fort poids) est agrave 1 et les autres agrave 0 on obtient
U = 10 times 05 = 5 V
Les reacutesistances sont aussi associeacutees aux composants agrave semi-conduc-teurs (diodes transistorshellip) pour les polariser crsquoest-agrave-dire pourfixer la position de leur point de repos (tension et courant) Lrsquoexem-ple le plus simple est celui de la diode (figure 112)
Cet eacuteleacutement lorsqursquoil est dans lrsquoeacutetat passant maintient une tensionpratiquement constante agrave ses bornes (environ 06 V pour une diodeau silicium) Dans le circuit consideacutereacute la diode est polariseacutee par ungeacuteneacuterateur de tension 5 V La tension aux bornes de la reacutesistance est
I 12--- 1
4--- 1
8--- 1
16------+ + +
1 1516------=times 094 mA= =
I 12--- 0
4--- 0
8--- 0
16------+ + +
1 05 mA=times=
Figure 112 ndash Polarisation drsquoune diode
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CHAPITRE 1 - REacuteSISTANCES ET POTENTIOMEgraveTRES 19
U = 5 ndash 06 = 44 V
Le courant qui traverse le circuit est alors
On remarque que dans les applications numeacuteriques on a priscomme uniteacutes le volt pour les tensions le milliampegravere pour lescourants et le kilo-ohm pour les reacutesistances Cela ne change rien agrave laloi drsquoOhm puisque le milliampegravere vaut un milliegraveme drsquoampegravere tandisque le kilo-ohm correspond agrave mille ohms Ces uniteacutes correspondentmieux aux ordres de grandeur rencontreacutes en eacutelectroniqueLa reacutesistance peut aussi ecirctre employeacutee avec des tensions et descourants variables Dans ce cas la loi drsquoOhm srsquoapplique agrave chaqueinstant et donc tension et courant ont mecircme forme Par exempleune reacutesistance de 10 kΩ est soumise agrave une tension triangulairedrsquoamplitude 10 V (figure 113)
Le courant est lui aussi triangulaire (figure 114) et son amplitudeest 1 mAOn utilise aussi la loi drsquoOhm pour les valeurs efficaces Par exempleune reacutesistance de 100 Ω brancheacutee sur le secteur est parcourue parun courant sinusoiumldal dont la valeur efficace est
I 441
------- 44 mA= =
Figure 113 ndash Reacutesistance soumise agrave une tension variable
Ieff220100---------- 22 A= =
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES20
Une configuration particuliegravere tregraves souvent employeacutee est le diviseurreacutesistif (figure 115)
Ce montage permet drsquoobtenir une tension infeacuterieure agrave la tensiondrsquoalimentation (ou agrave une autre tension dont on dispose deacutejagrave)Lrsquoapplication de la loi drsquoOhm montre immeacutediatement que lrsquoon a
Figure 114 ndash Tension et courant variables
Figure 115 ndash Diviseur reacutesistif
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CHAPITRE 1 - REacuteSISTANCES ET POTENTIOMEgraveTRES 21
Avec les valeurs choisies sur le scheacutema (R1 = 10 kΩ et R2 = 22 kΩ)on obtient
Cette formule est tregraves commode mais il faut faire attention agrave lrsquoutiliseragrave bon escient Son application suppose que le circuit est agrave vide crsquoest-agrave-dire en fait que le courant deacutebiteacute est neacutegligeable Si ce nrsquoest pas lecas le courant deacuteriveacute dans la charge modifie le reacutesultat Pour srsquoenconvaincre il suffit de consideacuterer une charge reacutesistive (figure 116)
Agrave la place de la reacutesistance R1 on a maintenant lrsquoassociation en paral-legravele de R1 et de la charge Si la reacutesistance de charge est eacuteleveacutee devantR1 (par exemple 1 MΩ) la reacutesistance eacutequivalente agrave lrsquoassociation est
UR1
R1 R2+------------------ E=
U10
10 22+------------------ 5 156 V=times=
Figure 116 ndash Charge du diviseur reacutesistif
R 10 1 000times10 1 000+------------------------- 99 kΩ 10 kΩasymp= =
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES22
Le reacutesultat nrsquoest pas modifieacute par lrsquoarriveacutee de la charge Par contre sila reacutesistance de charge nrsquoest pas beaucoup plus grande que R1 (parexemple 10 kΩ) la reacutesistance eacutequivalente agrave lrsquoassociation en paral-legravele est diffeacuterente de R1
La tension obtenue est alors modifieacutee
Il en sera ainsi quelle que soit la nature de la charge la formule dudiviseur reacutesistif nrsquoest valable que si le courant deacutebiteacute par le montageest neacutegligeable On choisit en geacuteneacuteral les valeurs des eacuteleacutements pourqursquoil en soit ainsi Avec la preacutecision habituelle des calculs on peutestimer que la formule est valable si le courant dans R1 et R2 (appeleacutecourant de pont) est supeacuterieur agrave 10 fois le courant deacutebiteacute
R 10 10times10 10+------------------ 5 kΩ= =
U5
5 22+--------------- 5 093 V=times=
Figure 117 ndash Polarisation drsquoun amplificateur agrave transistor
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CHAPITRE 1 - REacuteSISTANCES ET POTENTIOMEgraveTRES 23
Un exemple typique drsquoapplication est le pont de polarisation debase drsquoun transistor bipolaire (figure 117)On fixe la tension de base agrave partir de lrsquoalimentation E agrave lrsquoaide desreacutesistances R1 et R2 Lorsque lrsquoon a deacutetermineacute lrsquoordre de grandeurdu courant de base IB agrave lrsquoaide des caracteacuteristiques du transistor onchoisit un courant de pont eacutegal agrave au moins 10IB ce qui fixe lasomme R1 + R2 La valeur de la tension de base deacutesireacutee imposant lerapport de R1 et R2 ces deux reacutesistances sont ainsi calculeacuteesOn peut aussi obtenir plusieurs tensions eacutechelonneacutees en utilisantun diviseur multiple (figure 118)
Figure 118 ndash Pont diviseur multiple
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES24
En utilisant cinq reacutesistances identiques de 10 kΩ sous une alimen-tation E = 5 V on deacuteveloppe une tension de 1 V aux bornes dechaque eacuteleacutement On dispose ainsi sur les prises intermeacutediaires detensions 1 V 2 V 3 V 4 V et 5 V par rapport agrave la masseLes reacutesistances variables peuvent ecirctre monteacutees de deux faccedilons Dansle montage en rheacuteostat la reacutesistance variable est en seacuterie avec lacharge et permet de reacutegler ainsi lrsquointensiteacute (figure 119)
Le montage en potentiomegravetre est un diviseur reacutesistif ougrave R1 et R2sont variables leur somme restant constante (figure 120)
Figure 119 ndash Reacutesistance variable monteacutee en rheacuteostat
Figure 120 ndash Reacutesistance variable monteacutee en potentiomegravetre
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CHAPITRE 1 - REacuteSISTANCES ET POTENTIOMEgraveTRES 25
On reacutealise alors un reacuteglage de tension entre 0 et E Pour obtenir unreacuteglage entre drsquoautres limites on associe au potentiomegravetre desreacutesistances talons (ou buteacutees) (figure 121)
Par exemple on souhaite obtenir un reacuteglage entre 1 V et 4 V avecune alimentation de 5 V Il faut donc une tension de 3 V aux bornesdu potentiomegravetre et de 1 V aux bornes de chaque reacutesistance talon Silrsquoon choisit un potentiomegravetre de 10 kΩ il faut des reacutesistances troisfois plus faibles (puisque le courant est le mecircme dans les troiseacuteleacutements) ce qui donne 33 kΩ Cette valeur eacutetant normaliseacutee dansla seacuterie E12 on peut directement lrsquoemployer dans le montageLes reacutesistances ajustables comme leur nom lrsquoindique servent agrave ajus-ter un paramegravetre agrave la valeur deacutesireacutee par exemple pour compenser leseacutecarts ameneacutes par les imperfections des composants Elles sont engeacuteneacuteral associeacutees agrave une reacutesistance fixe en seacuterie (figure 122)Lors du choix des eacuteleacutements il faut tenir compte des toleacuterances quiexistent sur les valeurs des reacutesistances Par exemple sur le scheacutemaproposeacute on a utiliseacute une reacutesistance fixe de 100 kΩ agrave 5 et un ajus-table de 100 kΩ agrave 10 La valeur reacuteelle de la reacutesistance peut ecirctrecomprise entre 95 kΩ et 105 kΩ et la reacutesistance totale du
Figure 121 ndash Potentiomegravetre avec reacutesistances talons
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES26
potentiomegravetre peut aller de 90 kΩ agrave 100 kΩ Pour la limite infeacute-rieure de la reacutesistance de lrsquoensemble le cas le plus deacutefavorable appa-raicirct lorsque lrsquoeacuteleacutement fixe est agrave son maximum (le potentiomegravetre estagrave 0) On a alors 105 kΩ Pour la valeur maximale dans le pire descas la reacutesistance fixe est agrave son minimum 95 kΩ ainsi que la reacutesis-tance totale du potentiomegravetre agrave 90 kΩ soit pour lrsquoensemble185 kΩ Lrsquointervalle de reacuteglage possible est dans le cas le plus deacutefa-vorable de 105 kΩ agrave 185 kΩ
Figure 122 ndash Ajustage drsquoune reacutesistance
Figure 123 ndash Potentiomegravetre de compensation du deacutecalage pour un amplificateur opeacuterationnel 741 (boicirctier DIL 8 broches)
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CHAPITRE 1 - REacuteSISTANCES ET POTENTIOMEgraveTRES 27
On trouve aussi des ajustables associeacutes agrave des circuits inteacutegreacutes poureffectuer certains reacuteglages Par exemple lrsquoamplificateur opeacuteration-nel est souvent muni de bornes permettant la compensation dudeacutecalage (offset) La valeur du potentiomegravetre agrave utiliser et le mode debranchement deacutependent du type de circuit choisi (figure 123)Dans ce chapitre nous avons citeacute quelques applications des reacutesis-tances et des potentiomegravetres mais nous nrsquoavons fait qursquoeffleurer cevaste sujet Nous verrons dans les chapitres suivants drsquoautres emploisde ces eacuteleacutements en association avec divers composants et nous auronslrsquooccasion de calculer et de choisir quelques reacutesistances
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C
HAP ITRE
2
ONDENSATEURS
Moins nombreux que les reacutesistances les condensateurs sont cepen-dant tregraves reacutepandus sur les circuits imprimeacutes Agrave lrsquoinverse des compo-sants reacutesistifs qui sont presque tous identiques les condensateursont des formes et des encombrements tregraves divers Cela srsquoexpliquepar les technologies varieacutees qui conviennent aux diffeacuterentes applica-tions de ces eacuteleacutements
21 Principe et proprieacuteteacutes
Capaciteacute
Un condensateur est formeacute de deux armatures meacutetalliques seacutepareacuteespar un isolant le dieacutelectrique Quand on applique une tensioncontinue entre les bornes du condensateur (qui sont relieacutees auxarmatures) des charges + et ndash vont srsquoaccumuler les unes en face desautres de chaque cocircteacute de lrsquoisolant On dit que le condensateur srsquoestchargeacute Si ensuite on ocircte la source de tension et que lrsquoon connectele condensateur sur une reacutesistance les charges vont srsquoeacutecouler jusqursquoagraveleur annulation Le condensateur se deacutecharge Il faut bien remar-quer qursquoaucun courant ne traverse le condensateur (agrave cause delrsquoisolant) mais qursquoun certain courant circule dans le reste du circuitpendant une dureacutee assez bregraveve lors des charges et des deacutecharges Ondit qursquoil srsquoagit drsquoun reacutegime de fonctionnement transitoireLorsqursquoun condensateur est chargeacute il conserve lrsquoeacutelectriciteacute accumu-leacutee jusqursquoagrave une deacutecharge le condensateur a une certaine meacutemoire
C
C
ONNAIcircTRE
LES
COMPOSANTS
EacuteLECTRONIQUES
30
La quantiteacute de charge
Q
emmagasineacutee sous une tension
U
donneacuteedeacutepend du condensateur employeacute Pour un composant choisi laquantiteacute de charge est proportionnelle agrave la tension appliqueacutee agrave sesbornes On eacutecrit
Q
=
CU
La constante
C
est caracteacuteristique du condensateur On lrsquoappellecapaciteacute et on lrsquoexprime en farads (symbole F) On emploie plutocirctles sous-multiples de cette uniteacute le microfarad (un millioniegraveme defarad) symbole
micro
F le nanofarad (un milliegraveme de microfarad)symbole nF et le picofarad (un milliegraveme de nanofarad) symbole pFLe nom de farad vient du physicien anglais M Faraday
Eacutenergie emmagasineacutee
Au point de vue eacutenergeacutetique le comportement du condensateur estbien diffeacuterent de celui de la reacutesistance Alors que cette derniegraveredissipe lrsquoeacutenergie eacutelectrique en la transformant en chaleur le conden-sateur emmagasine lrsquoeacutenergie quand il se charge et la restitue lorsqursquoilse deacutecharge Il nrsquoy a pas de pertes drsquoeacutenergie eacutelectrique (sauf de petitsdeacutefauts dont lrsquoimportance est secondaire) Le condensateur chargeacuteforme donc une reacuteserve drsquoeacutenergie Ce pheacutenomegravene est utiliseacute danscertaines applications comme on le verra plus loin
Symbole
Sur les scheacutemas le condensateur est repreacutesenteacute par son symbolenormaliseacute (
figure 21
)
Figure 21 ndash Symbole normaliseacute drsquoun condensateur
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HAPITRE
2 - C
ONDENSATEURS
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Certains condensateurs sont polariseacutes du fait de leur technologie lrsquoarmature noteacutee + doit alors absolument ecirctre relieacutee au pocircle positif dela tension On les identifie par leur symbole normaliseacute (
figure 22
)ou par drsquoautres repreacutesentations (
figure 23
)
Associations de condensateurs
On peut grouper les condensateurs en seacuterie ou en parallegravele Lrsquoasso-ciation se comporte comme un nouveau condensateur Pour deuxeacuteleacutements en seacuterie (
figure 24
) de capaciteacutes
C
1
et
C
2
on obtient uncondensateur eacutequivalent dont la capaciteacute
C
est telle que
On en deacuteduit
Figure 22 ndash Symbole normaliseacute drsquoun condensateur polariseacute
Figure 23 ndash Divers symboles employeacutes pour repreacutesenter les condensateurs polariseacutes
(lrsquoarmature + est celle de droite sur tous ces scheacutemas)
1C----- 1
C1------ 1
C2------+=
CC1C2
C1 C2+-------------------=
C
ONNAIcircTRE
LES
COMPOSANTS
EacuteLECTRONIQUES
32
Deux condensateurs de capaciteacutes
C
1
et
C
2
brancheacutes en parallegravele(
figure 25
) donnent un condensateur eacutequivalent de capaciteacute
C
=
C
1
+
C
2
Les formules se geacuteneacuteralisent facilement pour des groupements deplus de deux condensateurs
R
EMARQUE
Les reacutesultats sont diffeacuterents de ceux qui ont eacuteteacute obtenus pour lesreacutesistances pour des eacuteleacutements en seacuterie les reacutesistances srsquoajou-tent tandis que ce sont les inverses des capaciteacutes qursquoil faut
consideacuterer pour des eacuteleacutements en parallegravele crsquoest le contraire
Figure 24 ndash Condensateurs en seacuterie
Figure 25 ndash Condensateurs en parallegravele
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C
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2 - C
ONDENSATEURS
33
On peut associer des condensateurs pour obtenir une capaciteacutedonneacutee mais drsquoautres buts sont parfois rechercheacutes Par exemple onne dispose pas facilement de condensateurs non polariseacutes de fortescapaciteacutes On peut simuler ces eacuteleacutements par le groupement de deuxcondensateurs polariseacutes (
figure 26
)
Eacutevidemment la capaciteacute de lrsquoassociation se calcule par la formuleciteacutee plus haut Deux condensateurs polariseacutes de 10
micro
F simulent uneacuteleacutement non polariseacute dont la capaciteacute est
Un autre groupement est parfois rencontreacute en parallegravele sur uneligne drsquoalimentation (
figure 27
)Du fait des ordres de grandeur tregraves diffeacuterents choisis pour les deuxcapaciteacutes on peut estimer que le petit condensateur non polariseacutenrsquoa aucune influence sur la capaciteacute reacutesultante qui est environ100
micro
FEn fait le problegraveme se pose autrement du fait des imperfections descondensateurs Les eacuteleacutements de forte capaciteacute ont de mauvaisesproprieacuteteacutes aux hautes freacutequences (voir les notions de technologie unpeu plus loin) On se sert donc du gros condensateur polariseacute pourun fonctionnement aux freacutequences basses et crsquoest le petit condensa-teur non polariseacute qui prend le relais aux freacutequences eacuteleveacutees
Figure 26 ndash Association eacutequivalente agrave un condensateur non polariseacute de 5 microF
C 102
------ 5 microF= =
C
ONNAIcircTRE
LES
COMPOSANTS
EacuteLECTRONIQUES
34
Courbes de charge et de deacutecharge
La charge la plus simple est obtenue quand le courant est constantEn effet dans ce cas la tension
U
aux bornes du condensateur croicirctlineacuteairement avec le temps
t
Il faut cependant prendre garde au fait que cette formule ne srsquoappli-que que si le condensateur est totalement deacutechargeacute au deacutepart (latension est nulle agrave
t
= 0) On peut tracer la courbe repreacutesentant latension
U
en fonction du temps
t
on obtient une portion dedroite (
figure 28
)Le traceacute a eacuteteacute fait pour un condensateur de capaciteacute 1
micro
F chargeacuteavec un courant constant de 1 mA On utilise ce dispositif dans lesgeacuteneacuterateurs de rampes et les geacuteneacuterateurs de signaux triangulaires (ladeacutecharge eacutetant alors aussi agrave courant constant)Dans la plupart des applications les condensateurs ne sont paschargeacutes agrave courant constant Un geacuteneacuterateur de tension continue
E
est brancheacute en seacuterie avec une reacutesistance R et le condensateur C(
figure 29
)
Figure 27 ndash Groupement de deux condensateurs agissant dans des domaines de freacutequence diffeacuterents
UIC----- t=
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2 - C
ONDENSATEURS
35
Si le circuit est fermeacute agrave
t
= 0 le condensateur eacutetant complegravetementdeacutechargeacute lrsquoeacutevolution de la tension
U
se fait suivant une courbe(
figure 210
)La charge commence assez rapidement puis se ralentit de plus enplus Pour chiffrer la dureacutee de la charge on deacutefinit la constante detemps du circuit par
τ
=
RC
Figure 28 ndash Charge drsquoun condensateur agrave courant constant
Figure 29 ndash Circuit de charge drsquoun condensateur par un geacuteneacuterateur de tension et une reacutesistance
C
ONNAIcircTRE
LES
COMPOSANTS
EacuteLECTRONIQUES
36
Quelques valeurs remarquables sont donneacutees dans le
tableau 21
Cette courbe est en fait une laquo exponentielle raquo dont lrsquoeacutequation matheacute-matique est
Figure 210 ndash Eacutevolution de la tension aux bornes drsquoun condensateur chargeacute par un geacuteneacuterateur de tension et une reacutesistance
Tableau 21 ndash Valeurs remarquables pour la courbe de charge du condensateur
t U
τ
063
E
3
τ
095
E
5
τ
099
E
U E 1 etτ--
ndash
=
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CHAPITRE 2 - CONDENSATEURS 37
La notation e correspond agrave une fonction matheacutematique preacutesentesur toutes les calculatrices scientifiques et noteacutee en geacuteneacuteral EXP surles claviers Pour calculer la valeur de ce nombre il suffit drsquoeffectuerle quotient de la valeur de t choisie par τ de changer le signe etdrsquoappuyer sur la touche EXPLa deacutecharge du condensateur est obtenue en remplaccedilant le geacuteneacute-rateur E par un court-circuit (figure 211)
Il faut bien noter qursquoil ne suffit pas drsquoocircter le geacuteneacuterateur puisqursquoalorsle circuit serait ouvert et le courant de deacutecharge ne pourrait pascirculer Lrsquoeacutevolution de la tension aux bornes du condensateur estencore repreacutesenteacutee par une courbe (figure 212)Il suffit de renverser le traceacute preacuteceacutedent pour lrsquoobtenir On a donc lesvaleurs particuliegraveres du tableau 22
Figure 211 ndash Circuit de deacutecharge du condensateur
Tableau 22 ndash Valeurs remarquables pour la courbe de deacutecharge du condensateur
t U
τ 037E
3τ 005E
5τ 001E
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES38
On peut remarquer qursquoune charge ou une deacutecharge est pratique-ment termineacutee au bout de quelques constantes de temps au boutde 5τ on atteint la valeur finale agrave 1 pregravesLes charges et deacutecharges exponentielles sont utiliseacutees dans de nom-breux montages astables monostableshellip
Comportement en alternatifComme le courant alternatif change de sens peacuteriodiquement lescondensateurs se chargent et se deacutechargent sans arrecirct Ce mouve-ment continuel donne lrsquoimpression qursquoun courant alternatiftraverse le condensateur alors qursquoaucune charge ne passe drsquounearmature agrave lrsquoautre En reacutegime sinusoiumldal agrave freacutequence donneacutee onconstate deux choses ndash la tension et le courant sont en quadrature crsquoest-agrave-dire sontdeacutephaseacutes de 90˚ la tension eacutetant en retard sur le courant(figure 213)
Figure 212 ndash Eacutevolution de la tension aux bornes du condensateur lors de sa deacutecharge
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CHAPITRE 2 - CONDENSATEURS 39
ndash la valeur efficace de la tension aux bornes du condensateur estproportionnelle agrave lrsquointensiteacute efficace du courant
Ueff = ZIeff
Le coefficient Z est lrsquoimpeacutedance du condensateur Si lrsquoon augmentela freacutequence on constate que lrsquoimpeacutedance diminue On a en effet
La notion drsquoimpeacutedance pour un condensateur est voisine de la notionde reacutesistance puisque la relation entre U et I a mecircme forme que la loidrsquoOhm Toutefois des diffeacuterences importantes sont agrave noter Toutdrsquoabord lrsquoimpeacutedance ne se deacutefinit qursquoen reacutegime sinusoiumldal permanentalors que la reacutesistance est une grandeur indeacutependante des formes ducourant et de la tension En deuxiegraveme lieu lrsquoimpeacutedance drsquoun circuitne deacutecrit pas complegravetement son fonctionnement en sinusoiumldal il fautlui associer la connaissance du deacutephasage entre courant et tensionPour terminer lrsquoimpeacutedance varie avec la freacutequence des signaux alors
Figure 213 ndash Tension et courant en quadrature
Z 12πfC---------------=
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES40
que la reacutesistance est une constante Cependant en tenant compte desdiverses restrictions qui viennent drsquoecirctre exposeacutees on peut raisonnersur les impeacutedances un peu comme sur les reacutesistances Les variations delrsquoimpeacutedance des condensateurs sont exploiteacutees pour la reacutealisation desfiltres de freacutequence
22 Caracteacuteristiques technologiquesValeurs et preacutecision
De la mecircme faccedilon que pour les reacutesistances les capaciteacutes des conden-sateurs disponibles appartiennent aux seacuteries normaliseacutees indiqueacuteesdans le tableau 12 Toutefois le problegraveme est un peu moins simplepour les condensateurs Du fait des technologies diffeacuterentesemployeacutees on ne dispose pas drsquoeacuteleacutements de preacutecision identique danstoute la gamme des valeurs possibles Pour les capaciteacutes les pluscourantes entre 1 nF et 1 microF on trouve souvent des progressionsE12 avec des preacutecisions de 10 ou 5 Pour les valeurs plus faibles(1 pF agrave 1 nF) et plus eacuteleveacutees (1 microF agrave 47 mF environ) on se contenteen geacuteneacuteral de seacuteries E6 ou mecircme E3 car les preacutecisions sontmeacutediocres plusmn 20 et mecircme ndash 20 + 50 pour les fortes valeurs
Tension maximaleSi une tension trop importante est appliqueacutee aux bornes ducondensateur le dieacutelectrique se perce et le composant est deacutetruit crsquoest le claquage du condensateur Il existe donc une tension limitepreacuteciseacutee par les constructeurs pour chaque modegravele Suivant la tech-nologie et la capaciteacute du condensateur les tensions maximales sontassez variables quelques volts agrave plusieurs milliers de volts
MarquageBeaucoup de condensateurs sont marqueacutes en clair la capaciteacute et latension limite sont indiqueacutees en chiffres sur le corps du composantavec ou sans indication drsquouniteacute Par exemple un condensateur poly-
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CHAPITRE 2 - CONDENSATEURS 41
carbonate marqueacute 47n 250 a une capaciteacute de 47 nF et une tensionmaximale de 250 V Un condensateur tantale marqueacute 1025 a unecapaciteacute de 10 microF et une tension de 25 V Certains eacuteleacutements peuventecirctre marqueacutes par le code des couleurs Plusieurs dispositions serencontrent pour les diffeacuterentes bandes coloreacutees (figure 214)
Le tableau 23 preacutecise la signification des couleurs
TechnologiesLa grande varieacuteteacute des mateacuteriaux dieacutelectriques employeacutes conduit agrave denombreux types de condensateurs de proprieacuteteacutes diverses Lrsquousage detelle ou telle technologie deacutepend de la gamme de capaciteacutes et desperformances attendues En particulier les diffeacuterents types decondensateurs ont un domaine de freacutequence qui leur est propreOn ne fera ici que citer les principales caracteacuteristiques des famillestechnologiques les plus reacutepandues
Condensateurs agrave film plastiqueLes condensateurs les plus utiliseacutes sont agrave film plastique Denombreuses varieacuteteacutes de plastiques peuvent ecirctre employeacutees polyester
Figure 214 ndash Marquage des condensateurs au polyester meacutetalliseacute
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES42
polystyregravene polycarbonate polypropylegravenehellip Les condensateurs agravefilm plastique ont de bonnes performances Les pertes sont reacuteduitesLa tension maximale est en geacuteneacuteral de plusieurs centaines de volts(parfois quelques dizaines de volts plus rarement quelques milliers devolts) Les valeurs srsquoeacutechelonnent entre 1 nF et quelques microfaradsLes toleacuterances sont habituellement de 5 ou 10 plus rarementde 20 On rencontre aussi des seacuteries de preacutecision agrave 1 ou 2 Dans un laboratoire courant on trouve au moins un assortimentcomplet de condensateurs plastique en progression E6 ou E12 Dansles applications on essaie en geacuteneacuteral de choisir les valeurs de capaciteacutesdans la gamme des condensateurs plastique lorsque cela est possibleToutefois certains domaines exigeront drsquoautres ordres de grandeur decapaciteacutes et on fera alors appel agrave des technologies diffeacuterentes
Tableau 23 ndash Signification du code des couleurs pour le marquage des condensateurs
Couleur 1er anneau1er chiffre
2e anneau2e chiffre
3e anneauMultiplicateur
4e anneauPreacutecision
5e anneauTension
maximale
Noir 0 20
Marron 1 1 times 10 pF
Rouge 2 2 times 100 pF 250 V
Orange 3 3 times 1 nF
Jaune 4 4 times 10 nF 400 V
Vert 5 5 times 100 nF
Bleu 6 6 times 1 microF
Violet 7 7 times 10 microF
Gris 8 8
Blanc 9 9 10
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CHAPITRE 2 - CONDENSATEURS 43
Condensateurs ceacuteramiqueLa deuxiegraveme grande cateacutegorie est formeacutee par les condensateursceacuteramique De nombreuses variantes existent mais on peut cepen-dant donner des caracteacuteristiques communes agrave tous ces condensateursTout drsquoabord les condensateurs ceacuteramique sont surtout destineacutes agraveune utilisation en hautes freacutequences Les pertes peuvent ecirctre impor-tantes en particulier aux freacutequences basses Les valeurs srsquoeacutechelonnententre 1 pF et 100 nF environ La preacutecision est en geacuteneacuteral meacutediocre 20 est une valeur courante Il existe cependant des seacuteries pluspreacutecises Les condensateurs ceacuteramique seront surtout utiliseacutes dans desapplications ougrave la valeur exacte de la capaciteacute nrsquoa pas drsquoimportance
Condensateurs eacutelectrolytiquesPour les fortes valeurs de capaciteacute on fait appel aux condensateurseacutelectrolytiques agrave lrsquoaluminium plus simplement appeleacutes condensa-teurs chimiques On trouve ces composants pour des capaciteacutescomprises entre 1 microF et quelques millifarads voire parfois quelquesdizaines de millifarads Les condensateurs chimiques ne peuvent ecirctreutiliseacutes qursquoaux basses freacutequences Ils sont polariseacutes un mauvais sensde branchement peut amener lrsquoexplosion du composant Les tensionsde service sont assez faibles quelques dizaines de volts On trouvetoutefois des tensions plus eacuteleveacutees pour des applications particuliegraveresLes toleacuterances sont meacutediocres souvent ndash 20 + 50 Cescondensateurs sont encombrants (particuliegraverement pour les valeurseacuteleveacutees de capaciteacute) et leur prix croicirct rapidement pour les fortes capa-citeacutes et les tensions de service importantes On nrsquoutilisera donc ceseacuteleacutements que si cela est absolument neacutecessaire et pour des applica-tions ougrave la valeur exacte de la capaciteacute nrsquoest pas importante
Condensateurs au tantaleOn trouve eacutegalement des capaciteacutes eacuteleveacutees (01 microF agrave quelquescentaines de microfarads) pour les condensateurs au tantale Cesderniers sont moins encombrants et plus fiables que les chimiques agravelrsquoaluminium Ils sont polariseacutes et leurs tensions de service sont faibles(quelques volts ou quelques dizaines de volts) Leur coucirct est pluseacuteleveacute que pour les condensateurs agrave lrsquoaluminium
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES44
On vient de constater qursquoil faut precircter un minimum drsquoattention agravela technologie des condensateurs pour les utiliser correctementPour reacutesumer la figure 215 rappelle les ordres de grandeur descapaciteacutes que lrsquoon trouve couramment pour chaque type et lafigure 216 indique les domaines de freacutequence utilisables Il srsquoagit lagravede caracteacuteristiques approcheacutees pour des fabrications courantes etlrsquoon peut eacutevidemment rencontrer des modegraveles particuliers quisortent des limites donneacutees
Condensateurs variablesOn ne dispose pas en geacuteneacuteral de condensateurs variables sauf dansquelques cas particuliers On a drsquoabord les condensateurs agrave lamedrsquoair qui sont formeacutes drsquoune armature fixe et drsquoune armature mobilemonteacutee sur un axe En faisant tourner lrsquoarmature on fait varier lasurface des plaques en regard ce qui se traduit par une modificationde la capaciteacute Il nrsquoy a pas de dieacutelectrique ce rocircle est joueacute par lrsquoairpreacutesent entre les armatures Les capaciteacutes sont donc tregraves faibles Cegenre de mateacuteriel nrsquoest utiliseacute que pour lrsquoaccord des circuitsoscillants des reacutecepteurs radio On trouve aussi des ajustables agrave laceacuteramique ou au plastique Ces petits condensateurs ont de faiblescapaciteacutes (quelques picofarads ou quelques dizaines de picofarads)Le reacuteglage se fait agrave lrsquoaide drsquoune vis
23 Domaines drsquoutilisationLes condensateurs ont de multiples usages Selon les cas on exploitele fait qursquoils accumulent une certaine eacutenergie dans drsquoautres cas crsquoestla variation de leur impeacutedance avec la freacutequence qui est utile Lrsquoexem-ple le plus frappant de lrsquoaccumulation drsquoeacutenergie est le flash drsquoun appa-reil photo Les piles chargent un condensateur pendant un certaintemps puis le condensateur se deacutecharge brusquement dans le tube duflash La quantiteacute drsquoeacutenergie fournie pendant cette bregraveve dureacutee permetlrsquoobtention de lrsquoeacuteclair Dans les alimentations continues agrave partir du secteur on utilise ungros condensateur pour le filtrage (figure 217)
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CHAPITRE 2 - CONDENSATEURS 45
Figure 215 ndash Ordre de grandeur des capaciteacutes disponibles pour les diffeacuterents types de condensateurs
Figure 216 ndash Domaines de freacutequence utilisables pour les diffeacuterents types de condensateurs
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES46
Le pont de diodes redresse le signal alternatif obtenu au secondairedu transformateur En lrsquoabsence de condensateur on observe latension eacuteloigneacutee du continu (figure 218)
Si lrsquoon branche le condensateur mais que lrsquoalimentation ne deacutebiteaucun courant le condensateur se charge lors de la premiegraveremonteacutee puis garde sa charge (figure 219)Lorsque lrsquoalimentation deacutebite le condensateur se deacutecharge leacutegegravere-ment puis se recharge peacuteriodiquement (figure 220)Si la capaciteacute est assez eacuteleveacutee la tension est sensiblement continueOn utilise habituellement de gros condensateurs chimiques (centai-
Figure 217 ndash Alimentation continue avec condensateur de filtrage
Figure 218 ndash Allure de la tension redresseacutee (sans filtrage)
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CHAPITRE 2 - CONDENSATEURS 47
nes ou milliers de microfarads) Il nrsquoy a ici pas de problegraveme puisquela freacutequence est basse (100 Hz) car il y a deux motifs identiquesdans une peacuteriode du secteur 50 Hz et que la valeur exacte de lacapaciteacute nrsquoest pas deacuteterminante il faut simplement un minimumque lrsquoon assurera avec une certaine marge de seacutecuriteacuteDans le mecircme ordre drsquoideacutees on trouve les condensateurs de deacutecou-plage connecteacutes sur les lignes drsquoalimentation drsquoun montage(figure 221)La tension drsquoalimentation est normalement continue et le condensa-teur se charge lors de la mise sous tension du montage et conservecette charge En reacutealiteacute la tension continue drsquoalimentation nrsquoest pasrigoureusement constante agrave cause des parasites et des chutes de
Figure 219 ndash Tension redresseacutee et filtreacutee pour une alimentation agrave vide
Figure 220 ndash Tension de sortie de lrsquoalimentation en preacutesence drsquoun courant deacutebiteacute
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES48
tension creacuteeacutees par les courants consommeacutes par les circuits En bran-chant un condensateur entre la ligne drsquoalimentation et la masse oneacutelimine ces variations de tension qui pourraient perturber le fonction-nement du montage En effet le condensateur gracircce agrave son eacutenergieaccumuleacutee apporte une certaine inertie agrave la tension En cas de bregravevevariation de lrsquoalimentation le condensateur nrsquoa pas le temps de modi-fier sa charge et maintient la tension constante Pour remplir correcte-ment son rocircle le condensateur doit ecirctre connecteacute au plus pregraves ducircuit afin qursquoil ne puisse pas y avoir de chute de tension entre ledeacutecouplage et le montage lui-mecircme
Suivant la nature des signaux agrave eacuteliminer on utilisera la technologieapproprieacutee pour le condensateur Les variations eacutetant souvent rapi-des (parasites de commutation par exemple) on fait souvent appelagrave des condensateurs ceacuteramique Si des variations lentes sont agrave crain-dre (reacutesidu drsquoondulation secteur par exemple) il faut disposer drsquounecapaciteacute plus eacuteleveacutee et on emploie alors des eacuteleacutements chimiques Silrsquoon veut eacuteliminer des variations lentes ou rapides on utilise uneassociation formeacutee par un condensateur ceacuteramique et un chimiquecomme on lrsquoa deacutejagrave indiqueacute Dans les montages agrave circuits inteacutegreacutes ilfaut reacutealiser suivant les cas un deacutecouplage par circuit ou par groupede circuits La valeur des capaciteacutes agrave employer est indiqueacutee dans lesspeacutecifications des composants
Figure 221 ndash Condensateur de deacutecouplage sur une ligne drsquoalimentation
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CHAPITRE 2 - CONDENSATEURS 49
La variation de lrsquoimpeacutedance drsquoun condensateur avec la freacutequenceest exploiteacutee dans les filtres Ces circuits permettent drsquoeacuteliminercertaines composantes drsquoun signal et drsquoen conserver drsquoautres (cellesqui appartiennent agrave la bande passante du filtre) Le condensateurlaisse facilement passer les composantes de hautes freacutequences (sonimpeacutedance est alors faible) mais srsquooppose au passage des composan-tes de basses freacutequences (son impeacutedance est alors eacuteleveacutee) Ainsisuivant le branchement du ou des condensateurs on peut favoriserles freacutequences basses moyennes ou hautes et reacutealiser un filtre passe-bas passe-bande ou passe-haut Par exemple on seacutepare les aigus(freacutequences eacuteleveacutees) et les graves (freacutequences basses) agrave la sortie drsquounamplificateur audio (figure 222) Les bobines viennent renforcerlrsquoeffet des condensateurs
Un autre emploi tregraves freacutequent pour le condensateur est le circuit deliaison Il faut tregraves souvent seacuteparer les composantes continues quiconstituent la polarisation et les composantes alternatives quiforment le signal utile Au chapitre preacuteceacutedent on a donneacute le scheacutemadrsquoun amplificateur agrave transistor On a vu que la tension de polarisationde base eacutetait fixeacutee par les reacutesistances R1 et R2 Pour que le geacuteneacuterateur
Figure 222 ndash Seacuteparation des graves et des aigus par un filtre passe-haut et un filtre passe-bas
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES50
qui fournit le signal agrave amplifier ne modifie pas le point de polarisa-tion on a placeacute un condensateur de liaison C1 agrave lrsquoentreacutee Comme lecourant continu ne peut pas traverser un condensateur il nrsquoy a effec-tivement aucune influence C2 joue le mecircme rocircle agrave la sortie Toute-fois pour que la liaison soit correcte il faut que le condensateur laissepasser le signal utile Pour que lrsquoon puisse consideacuterer que le reacutesultat estcorrect il suffit que lrsquoimpeacutedance du condensateur soit faible devant lareacutesistance drsquoentreacutee de lrsquoamplificateur crsquoest-agrave-dire la reacutesistance qui estvue par le signal variable entre les bornes drsquoentreacutee apregraves le condensa-teur En effet le circuit se ramegravene agrave un diviseur drsquoimpeacutedances(figure 223)
La chute de tension dans C1 est neacutegligeable si
On en deacuteduit une valeur minimale pour C1 On choisit souvent uncoefficient de 10 en prenant
et donc
Figure 223 ndash Condensateur de liaison agrave lrsquoentreacutee drsquoun circuit
12πf C1---------------- ltlt Re
12πf C1min------------------------
Re
10------=
C1min10
2πf Re------------------=
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CHAPITRE 2 - CONDENSATEURS 51
Si le signal comporte des composantes de diverses freacutequences ilfaut veacuterifier la relation pour toutes les freacutequences Pour cela il suffitde la veacuterifier pour la freacutequence la plus faiblePar exemple un amplificateur fonctionne en audiofreacutequences (20 Hzagrave 20 kHz environ) Sa reacutesistance drsquoentreacutee est 10 kΩ (on la calculedans lrsquoeacutetude de lrsquoamplificateur) La capaciteacute de liaison drsquoentreacutee doitbien jouer son rocircle mecircme agrave 20 Hz sa valeur minimale est
On choisit ensuite une valeur normaliseacutee supeacuterieure Srsquoagissantdrsquoune capaciteacute eacuteleveacutee on ne dispose en geacuteneacuteral que drsquoune progres-sion E6 ou E3 On prend donc C = 10 microFOn utilise aussi des condensateurs pour creacuteer des impulsions agrave partirdrsquoune tension carreacutee crsquoest le montage deacuterivateur (figure 224)
Lors drsquoun front montant appliqueacute agrave lrsquoentreacutee le condensateur trans-met la discontinuiteacute agrave la sortie car il ne peut pas se charger instanta-neacutement Ensuite la reacutesistance eacutetant soumise agrave une diffeacuterence depotentiel il circule un courant qui charge le condensateur Si laconstante de temps RC est faible la phase de charge est bregraveve et onpeut consideacuterer que le signal apparu en sortie est une impulsion Lefonctionnement est similaire aux fronts descendants (figure 225)
C1min10
2π 20times 10 000times----------------------------------------- 796 microF= =
Figure 224 ndash Montage deacuterivateur permettant de geacuteneacuterer des impulsions agrave partir drsquoun signal carreacute
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES52
Les condensateurs permettent aussi de faire eacutevoluer des tensions oudes courants pendant une dureacutee deacutetermineacutee et de reacutealiser ainsi desgeacuteneacuterateurs de signaux ou des temporisateurs On emploie pourcela un circuit de commutation (en geacuteneacuteral inteacutegreacute) un condensa-teur et une ou plusieurs reacutesistances Un montage tregraves classique est legeacuteneacuterateur de signaux carreacutes (ou circuit astable) reacutealiseacute avec untemporisateur inteacutegreacute 555 (figure 226)Le condensateur se charge et se deacutecharge peacuteriodiquement Les char-ges se font agrave travers RA et RB tandis que les deacutecharges se font agravetravers RB et le circuit inteacutegreacute Ce dernier effectue des commuta-tions lorsque la tension aux bornes du condensateur atteint VCC 3ou 2VCC 3 (figure 227)La freacutequence des signaux correspond agrave la formule
La valeur obtenue est fixeacutee par les reacutesistances RA et RB et la capaciteacuteC en fait par lrsquointermeacutediaire des constantes de temps de la charge(RA + RB )C et de la deacutecharge RB C On voit ici lrsquoimportance de la
Figure 225 ndash Impulsions en sortie du deacuterivateur
f 144RA 2RB+( )C
-------------------------------=
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CHAPITRE 2 - CONDENSATEURS 53
Figure 226 ndash Geacuteneacuterateur de signaux carreacutes agrave circuit inteacutegreacute 555 (les numeacuteros correspondent au boicirctier DIL 8 broches)
Figure 227 ndash Eacutevolution des tensions dans le geacuteneacuterateur de signaux carreacutes
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES54
toleacuterance sur les composants Un condensateur de bonne preacutecisionest neacutecessaire On emploie donc un composant au plastique ouparfois un ceacuteramique de bonne qualiteacute Cette remarque est valablepour tous les montages dont une caracteacuteristique de sortie (dureacuteefreacutequencehellip) deacutepend de la valeur exacte drsquoune capaciteacute Avec leseacuteleacutements du scheacutema on obtient une freacutequence de 219 kHzIl existe plusieurs petits logiciels permettant de calculer la freacutequenceet le rapport cyclique du signal carreacute obtenu en sortie drsquoun astableagrave 555 agrave partir des donneacutees des reacutesistances et de la capaciteacute Drsquoautreslogiciels plus inteacuteressants pour le concepteur calculent les valeurs agravedonner aux composants pour obtenir une freacutequence et un rapportcyclique fixeacutes On trouvera facilement ces programmes gratuits surInternet agrave partir de nrsquoimporte quel moteur de recherche
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3
OBINES
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Les composants inductifs sont souvent mal connus et peu appreacutecieacutespar les eacutelectroniciens En effet en basse freacutequence les bobinagessont lourds et encombrants et on ne les utilise que lorsque crsquoest vrai-ment neacutecessaire Par contre en haute freacutequence les bobines sont depetite taille et leur emploi est plus inteacuteressant
31 Principe et proprieacuteteacutes
Inductance
Une bobine est formeacutee drsquoun fil enrouleacute soit dans lrsquoair soit sur unnoyau magneacutetique (
figure 31
)
Figure 31 ndash Bobine enrouleacutee sur un noyau ferromagneacutetique
B
C
ONNAIcircTRE
LES
COMPOSANTS
EacuteLECTRONIQUES
56
Un conducteur parcouru par un courant creacutee un champ magneacutetique(comme un aimant) La preacutesence drsquoun noyau ayant des proprieacuteteacutesferromagneacutetiques augmente consideacuterablement le champ magneacuteti-que obtenu Si une bobine de
N
spires de section
S
est soumise agrave unchamp magneacutetique
B
on appelle flux la quantiteacute
Φ
=
NBS
Le flux
Φ
srsquoexprime en webers (symbole Wb) Si le champ magneacuteti-que a eacuteteacute creacuteeacute par lrsquoenroulement lui-mecircme on parle de flux propreTant que le courant
I
nrsquoest pas trop eacuteleveacute le flux
Φ
est proportionnelau courant qui lrsquoa engendreacute
Φ
=
LI
Le coefficient
L
est lrsquoinductance (ou auto-inductance) de la bobineLa traduction anglaise est
self-inductance
ce qui explique que lrsquoonparle souvent dans le langage courant de
self
pour deacutesigner unebobine Lrsquouniteacute drsquoinductance est le henry (symbole H) du nom duphysicien ameacutericain J Henry connu pour ses eacutetudes sur le pheacuteno-megravene drsquoauto-induction On utilise les sous-multiples le millihenry(mH) et le microhenry (
micro
H)
Eacutenergie emmagasineacutee
Une bobine emmagasine de lrsquoeacutenergie sous forme eacutelectromagneacutetiquelorsqursquoelle est parcourue par un courant On utilise dans certains casles eacutechanges drsquoeacutenergie entre bobines et condensateurs (circuitoscillant
LC
) Une bobine ideacuteale nrsquoaurait aucune perte drsquoeacutenergiemais en reacutealiteacute le conducteur employeacute pour lrsquoenroulement a aussiune certaine reacutesistance qui entraicircne des pertes par effet Joule Lrsquoeffetde cette reacutesistance est neacutegligeable devant celui de lrsquoinductance danscertaines applications mais il modifie un peu les choses dans denombreux cas Le fait que lrsquoeacutenergie stockeacutee corresponde agrave une circu-lation de courant donne agrave la bobine un effet drsquoinertie pour le courantEn particulier ce courant ne peut pas ecirctre discontinu et la preacutesencedrsquoune bobine en seacuterie dans une connexion ralentit les variations delrsquointensiteacute On constate un certain parallegravele entre condensateur et
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bobine le premier a un effet drsquoinertie sur la tension tandis que ladeuxiegraveme a un effet drsquoinertie sur le courant
Non-lineacuteariteacute
Si la preacutesence drsquoun noyau ferromagneacutetique a lrsquoavantage de donnerune inductance beaucoup plus eacuteleveacutee elle a aussi lrsquoinconveacutenientdrsquoamener une non-lineacuteariteacute dans le fonctionnement de la bobineQuand le courant est faible le flux est proportionnel agrave lrsquointensiteacutemais agrave partir drsquoun certain seuil le flux ne croicirct plus aussi vite puis sestabilise pratiquement crsquoest le pheacutenomegravene de saturation Si uneacuteleacutement est satureacute on ne peut plus employer la notion drsquoinductanceUne caracteacuteristique importante drsquoun bobinage est donc le courantmaximal possible sans atteindre la saturation En dehors des pertespar effet Joule deacutejagrave citeacutees les bobines agrave noyau ont eacutegalement despertes ferromagneacutetiques Il srsquoagit drsquoune puissance perdue agrave cause dedeux pheacutenomegravenes lrsquohysteacutereacutesis qui est un comportement diffeacuterentselon que le courant est croissant ou deacutecroissant et les courants deFoucault qui sont des courants induits dans les masses meacutetalliquesPour les applications il est important de savoir que ces pertesferromagneacutetiques augmentent avec la freacutequence et deacutependent de lanature du mateacuteriau qui forme le noyau
Symboles
Une bobine peut ecirctre repreacutesenteacutee par son symbole normaliseacute(
figure 32
) mais on rencontre aussi drsquoautres symboles (
figure 33
)
Associations
On peut associer les bobines en seacuterie ou en parallegravele mais ces groupe-ments sont tregraves peu utiliseacutes Les lois drsquoassociation pour les inductan-ces sont les mecircmes que celles qui ont eacuteteacute citeacutees pour les reacutesistances
Transformateur
Un transformateur est constitueacute de deux enroulements placeacutes sur lemecircme noyau magneacutetique fermeacute (
figure 34
)
C
ONNAIcircTRE
LES
COMPOSANTS
EacuteLECTRONIQUES
58
Figure 32 ndash Symboles normaliseacutes pour une bobine (la repreacutesentation (b) est employeacutee srsquoil y a un noyau ferromagneacutetique)
Figure 33 ndash Divers symboles rencontreacutes pour la repreacutesentation des bobines
Figure 34 ndash Principe drsquoun transformateur Les points distinguent les extreacutemiteacutes des enroulements qui ont mecircme polariteacute instantaneacutee sur les
symboles de la figure 35 (cela deacutepend du sens de bobinage)
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Il srsquoagit ici drsquoun scheacutema de principe les reacutealisations sont un peudiffeacuterentes Quand on applique une tension variable sur lrsquoun desenroulements (appeleacute primaire) un flux est creacuteeacute Du fait du noyauferromagneacutetique les lignes de flux sont obligeacutees de se refermer (dansleur presque totaliteacute) en passant dans le deuxiegraveme enroulement(appeleacute secondaire) Ce flux variable creacutee une force eacutelectromotriceinduite dans ce bobinage crsquoest-agrave-dire qursquoil apparaicirct une tensionentre ses bornes Le rapport de la tension obtenue au secondaire etde la tension appliqueacutee au primaire est constant eacutegal au rapport desnombres de spires des enroulements
Le nombre
k
est le rapport de transformation de lrsquoappareilLorsque lrsquoon ferme le circuit du secondaire sur une charge il appa-raicirct un courant induit Ce dernier creacutee eacutegalement un flux qui sesuperpose agrave celui du primaire pour donner le flux reacutesultant Latension preacutesente entre les bornes du secondaire chute un peu parrapport agrave celle que lrsquoon avait agrave vide mais en reste voisine Lecourant
I
1
appeleacute par le primaire du transformateur deacutepend ducourant
I
2
dans la charge On a de maniegravere approcheacutee
Cette relation est bien veacuterifieacutee pour les gros transformateurs maiselle est plus approximative pour les petites uniteacutes Son applicationsuffit toutefois pour des calculs approcheacutes comme la deacuteterminationdu calibre du fusible agrave brancher sur le primaireIl est important de noter qursquoun transformateur ne fonctionneqursquoavec des signaux variables Il nrsquoa pas drsquoeacutequivalent en continu Lestransformateurs peuvent ecirctre abaisseurs (
k
lt 1) ou eacuteleacutevateurs (
k
gt 1)Un cas particulier est le transformateur drsquoisolement (
k
= 1) Il nemodifie pas la tension mais permet drsquoavoir un isolement eacutelectriqueentre les circuits brancheacutes au primaire et au secondaire Les pertesdrsquoun transformateur sont les mecircmes que celles drsquoune bobine effetJoule dans les enroulements hysteacutereacutesis et courants de Foucault
U 2
U 1--------
N 2
N 1-------- k= =
I1 kI2=
C
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LES
COMPOSANTS
EacuteLECTRONIQUES
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Les transformateurs peuvent ecirctre repreacutesenteacutes par leur symbolenormaliseacute (
figure 35
) ou par drsquoautres symboles (
figure 36
)
Eacutetablissement du courant dans une bobine
Si lrsquoon applique une tension constante agrave une bobine le courantaugmente lineacuteairement
Figure 35 ndash Symboles normaliseacutes pour un transformateur (la variante (b) indique la preacutesence
drsquoun noyau ferromagneacutetique)
Figure 36 ndash Divers symboles rencontreacutes pour la repreacutesentation des transformateurs
IUL---- t=
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La
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utor
iseacutee
est
un
deacutelit
C
HAPITRE
3 - B
OBINES
ET
TRANSFORMATEURS
61
Cette loi de variation nrsquoest toutefois valable que tant que la bobinenrsquoest pas satureacutee Les variations du courant
I
en fonction du temps
t
sont repreacutesenteacutees par un segment de droite (
figure 37
)
On a choisi pour le traceacute une inductance de 10 mH soumise agrave unetension de 10 VSi le courant srsquoeacutetablit agrave travers une reacutesistance R (
figure 38
) la courbedevient une exponentielle (
figure 39
) identique agrave celle qui repreacutesentela tension lors de la charge drsquoun condensateur (voir chapitre 2) La constante de temps est dans ce cas
Au bout de quelques constantes de temps le courant est stabiliseacute agravesa valeur de repos
Figure 37 ndash Eacutetablissement du courant dans une bobine soumise agrave une tension constante
τ LR----=
I0ER----=
C
ONNAIcircTRE
LES
COMPOSANTS
EacuteLECTRONIQUES
62
Les pheacutenomegravenes sont similaires lors de lrsquoextinction du courant(
figures 310 et 311
) Il ne faut pas ouvrir le circuit contenant la bobine le courant nepouvant srsquoannuler brusquement agrave cause de lrsquoeacutenergie emmagasineacuteedans la bobine il se produirait un arc eacutelectrique entre les contactsouverts
Figure 38 ndash Eacutetablissement du courant dans une bobine agrave travers une reacutesistance
Figure 39 ndash Eacutevolution du courant dans la bobine
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deacutelit
C
HAPITRE
3 - B
OBINES
ET
TRANSFORMATEURS
63
Bobine en alternatif
Pour une bobine ideacuteale (reacutesistance neacutegligeable) la tension et lecourant sont en quadrature mais contrairement agrave ce qui se passepour un condensateur crsquoest le courant qui est en retard sur la tension(
figure 312
)
Figure 310 ndash Circuit pour lrsquoextinction du courant dans la bobine
Figure 311 ndash Eacutevolution du courant lors de son extinction
C
ONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES64
Lrsquoimpeacutedance augmente avec la freacutequence f et srsquoexprime par laformule
Cette variation de lrsquoimpeacutedance opposeacutee agrave celle qui est observeacuteepour un condensateur est eacutegalement utiliseacutee dans certains filtres
32 Caracteacuteristiques technologiquesBobines agrave noyau de fer
On trouve principalement dans cette cateacutegorie les transformateursdrsquoalimentation fonctionnant sur le secteur 50 Hz Le noyau magneacute-tique est indispensable Il est reacutealiseacute en tocircles de fer additionneacute desilicium Le noyau est feuilleteacute pour limiter les courants de Foucaultet diminuer ainsi les pertes correspondantes On emploie en geacuteneacuteralune deacutecoupe des tocircles en EI (figure 313)
Figure 312 ndash Tension et courant en quadrature
Z 2πf L=
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CHAPITRE 3 - BOBINES ET TRANSFORMATEURS 65
Les diverses dimensions sont multiples drsquoune longueur eacuteleacutementaire acomme le montre la figure 313 Les bobinages sont placeacutes sur lapartie centrale du noyau Le primaire et le secondaire sont superpo-seacutes contrairement agrave ce qui a eacuteteacute repreacutesenteacute sur le scheacutema de principeCette disposition permet de limiter les fuites de flux entre les enrou-lements Le transformateur est souvent maintenu par un eacutetrier etpeut ecirctre monteacute sur un circuit imprimeacute Les bornes des bobinagessont sorties sur des cosses De nombreux transformateurs ont unsecondaire agrave point milieu ou mecircme agrave prises multiples Cela permet dedisposer de plusieurs valeurs de tensions Dans les alimentations onutilise suivant les cas le secondaire complet ou les deux demi-secon-daires (voir plus loin les applications) Les principales caracteacuteristiquesdrsquoun transformateur drsquoalimentation sont ses tensions nominales (auprimaire et au secondaire) et sa puissance apparente La puissanceapparente du transformateur permet de deacutefinir le courant maximalque lrsquoon peut demander au secondaire elle srsquoexprime par le produitde la tension du secondaire par le courant deacutebiteacute (valeurs efficaces)
Figure 313 ndash Deacutecoupage des tocircles en EI
S U2 I2=
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES66
Lrsquouniteacute de puissance apparente est le voltampegravere (symbole VA)On peut bobiner soi-mecircme les transformateurs mais pour les modegrave-les courants il est plus facile de les acheter deacutejagrave reacutealiseacutes Les modegravelesque lrsquoon rencontre habituellement sont preacutevus pour une tensionprimaire de 220 V et possegravedent un ou deux secondaires dont lestensions nominales sont souvent 6 V 9 V 12 V 15 V 18 V et24 V Les puissances apparentes disponibles habituellement vont de3 agrave 100 VA Le transformateur est drsquoautant plus lourd (et encom-brant et cher) que sa puissance apparente est eacuteleveacuteeOn trouve aussi parfois des transformateurs toriques (figure 314)qui ont de bonnes performances et en particulier ne rayonnent pasLeur prix est cependant plus eacuteleveacute
Les noyaux de fer ne peuvent ecirctre utiliseacutes que pour des freacutequenceslimiteacutees agrave quelques centaines de hertz Au-delagrave les pertes ferroma-gneacutetiques deviennent trop importantes
Bobines agrave noyau de ferriteAux freacutequences moyennes ou hautes on utilise des bobines et destransformateurs agrave noyau de ferrite Dans cette cateacutegorie de mateacuteriauxon trouve de nombreux types diffeacuterents destineacutes agrave des domaines
Figure 314 ndash Transformateur torique
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CHAPITRE 3 - BOBINES ET TRANSFORMATEURS 67
divers La plage des freacutequences utilisables est une caracteacuteristique essen-tielle des ferrites elle peut ecirctre situeacutee entre 1 kHz et 100 kHz pourcertaines reacutefeacuterences mais srsquoeacutetend de 100 MHz agrave 1 GHz pour drsquoautresLe deuxiegraveme paramegravetre important est lrsquoinductance speacutecifique ALLrsquoinductance L drsquoun bobinage est proportionnelle au carreacute du nombrede spires N AL est le coefficient de proportionnaliteacute
De nombreuses preacutesentations diffeacuterentes existent pour les bobinagessur ferrites Pour les faibles courants (fil fin) on a souvent recours agraveun laquo pot raquo formeacute de deux coupelles maintenues par un eacutetrierLrsquoenroulement est bobineacute sur un petit support plastique placeacute agravelrsquointeacuterieur des coupelles Pour des courants plus eacuteleveacutes on choisit desnoyaux du genre EI ou des toresOn rencontre aussi des bobines miniatures de forme et de dimen-sions comparables agrave celles drsquoune reacutesistance On dispose drsquoinductan-ces pouvant aller de 01 microH agrave 10 mH Certains modegraveles sontmarqueacutes en clair drsquoautres suivant un code des couleurs (figure 315)
L ALN 2=
Figure 315 ndash Marquage drsquoune bobine miniature par le code des couleurs
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES68
Le tableau 31 donne la signification des couleurs
Un cas particulier apparaicirct lorsque lrsquoinductance est infeacuterieure agrave10 microH il nrsquoy a pas de bande de multiplicateur mais la virguledeacutecimale est indiqueacutee par un anneau de couleur or (figure 316)Des transformateurs particuliers sont eacutegalement disponibles pour lescircuits drsquoamorccedilage des thyristors ce sont les transformateursdrsquoimpulsions (voir plus loin les applications) Ces eacuteleacutements se
Tableau 31 ndash Signification du code des couleurs pour le marquage des bobines miniatures
Couleur 1er anneau1er chiffre
2e anneau2e chiffre
3e anneaumultiplicateur
4e anneautoleacuterance
Noir 0 times 1 microH
Marron 1 1 times 10 microH
Rouge 2 2 times 100 microH
Orange 3 3 times 1 mH
Jaune 4 4
Vert 5 5
Bleu 6 6
Violet 7 7
Gris 8 8
Blanc 9 9
Rien 20
Argent 10
Or 5
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CHAPITRE 3 - BOBINES ET TRANSFORMATEURS 69
preacutesentent en geacuteneacuteral dans des boicirctiers plastiques de petites dimen-sions dont les picots se connectent directement sur les circuits impri-meacutes Le rapport de transformation est souvent de 1 et de nombreuxmodegraveles possegravedent plusieurs enroulements secondaires indeacutepen-dants permettant un isolement sur plusieurs voies
Bobines agrave airEn hautes freacutequences on emploie des bobines agrave air Lrsquoinductanceobtenue est faible mais son effet est suffisant pour des signaux dansles dizaines ou centaines de meacutegahertz Lrsquoabsence de noyau ferro-magneacutetique eacutevite les problegravemes de saturation Ce type de bobine aaussi lrsquoavantage drsquoecirctre leacuteger et peu encombrant Il arrive que lrsquoonutilise aussi des bobines agrave air pour des freacutequences peu eacuteleveacutees afindrsquoeacuteviter les problegravemes de non-lineacuteariteacutes lieacutes aux mateacuteriaux magneacuteti-ques mais il faut un nombre important de spires pour obtenir lesinductances neacutecessaires
33 Domaines drsquoutilisationAux basses freacutequences on trouve peu de bobinages leur encombre-ment et leur poids les rendant drsquousage difficile Le seul domaine ougrave
Figure 316 ndash Cas particulier des inductances infeacuterieures agrave 10 microH
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES70
lrsquoon ne peut guegravere srsquoen passer est lrsquoalimentation secteur classiqueEn effet un isolement entre le secteur et le montage eacutelectroniqueest pratiquement toujours neacutecessaire ne serait-ce que pourdrsquoeacutevidentes raisons de seacutecuriteacute Outre ce rocircle le transformateurdrsquoalimentation sert eacutegalement agrave abaisser la tension en vue drsquoobtenirdes niveaux continus convenant aux circuits agrave alimenter on nedeacutepasse pas en geacuteneacuteral quelques dizaines de volts les valeurs 5 ou15 V eacutetant tregraves freacutequentes On utilise principalement deux configu-rations pour les alimentations le montage agrave pont de Graetz donton a parleacute au chapitre 2 et le montage laquo va-et-vient raquo (figure 317)Ce dernier ne neacutecessite que deux diodes pour le redressement maisexige un transformateur agrave point milieu Les performances des deuxmontages sont voisines mais on preacutefegravere souvent le pont de Graetzdans les reacutealisations
On rencontre quelques bobinages dans les filtres passifs commeceux qui ont eacuteteacute deacutecrits au chapitre preacuteceacutedent Les bobines renfor-cent lrsquoeffet de filtrage deacutejagrave obtenu par les condensateurs quand lafreacutequence augmente lrsquoimpeacutedance des bobines croicirct tandis que celledes condensateurs diminue Aux basses freacutequences on preacutefegravere lesfiltres actifs qui associent des reacutesistances des condensateurs et des
Figure 317 ndash Alimentation continue utilisant un transformateur agrave point milieu
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CHAPITRE 3 - BOBINES ET TRANSFORMATEURS 71
amplificateurs opeacuterationnels ils permettent drsquoobtenir de bonnescaracteacuteristiques sans bobinage encombrant Cependant ces filtresactifs exigent une alimentation continue Quand celle-ci nrsquoest pasdisponible il est parfois preacutefeacuterable de recourir aux filtres passifsCrsquoest en particulier le cas pour les filtres drsquoenceintes acoustiquesOn peut faire appel agrave des bobines agrave air pour eacuteviter les distorsions denon-lineacuteariteacute Dans le domaine des freacutequences plus eacuteleveacutees lesbobines sont beaucoup moins encombrantes et leur usage ne poseaucun problegraveme On utilise donc systeacutematiquement des cellules defiltres LC (bobine et condensateur) que lrsquoon peut associer dansdiffeacuterentes configurationsUn cas particulier de filtrage se rencontre dans les liaisons des appa-reils avec le secteur crsquoest lrsquoantiparasitage En effet la tension sinusoiuml-dale du secteur est entacheacutee drsquoun certain nombre de parasites dusprincipalement agrave des commutations de courants importants inter-rupteurs meacutecaniques thyristors triacs alimentations agrave deacutecoupagehellipLes circuits eacutelectroniques risquent drsquoecirctre perturbeacutes par ces parasites Ilest possible drsquoeacuteliminer cette eacuteventualiteacute en utilisant des filtres drsquouncocircteacute dans les liaisons des eacutequipements perturbateurs et drsquoun autrecocircteacute dans les liaisons des montages qui peuvent ecirctre sensibles auxparasites Le spectre de ces perturbations eacutetant situeacute dans les hautesfreacutequences il est facile drsquoutiliser des bobines et des condensateurspour le filtrage (figure 318)Les bobines lissent le courant dans les fils de ligne et les condensa-teurs affaiblissent les variations brusques des tensions entre les deuxfils de ligne et entre fil de ligne et terreLes convertisseurs de tension par deacutecoupage utilisent tous une bobineou un transformateur Diverses configurations sont rencontreacutees montages eacuteleacutevateurs abaisseurs ou inverseurs Les scheacutemas compren-nent en geacuteneacuteral un circuit inteacutegreacute une bobine quelques reacutesistances etcondensateurs et eacuteventuellement une diode et des transistors Le rocirclede la bobine dans ce type de montages est drsquoaccumuler une certaineeacutenergie pendant une phase du fonctionnement et de la restituer dansune autre phase afin de lisser le courant On emploie des noyaux deferrites puisque les signaux sont assez rapides (freacutequences de commu-tation de plusieurs dizaines de kilohertz) Le filtrage final qui permet
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES72
drsquoobtenir une tension continue est effectueacute par un condensateur Unexemple de convertisseur eacuteleacutevateur utilise un circuit inteacutegreacute Maximde reacutefeacuterence MAX630 (figure 319)
Figure 318 ndash Filtre secteur antiparasite
Figure 319 ndash Convertisseur eacuteleacutevateur de tension
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CHAPITRE 3 - BOBINES ET TRANSFORMATEURS 73
Le montage permet drsquoobtenir une tension fixe de 15 V agrave partirdrsquoune tension disponible de 5 V Les reacutesistances du pont diviseur desortie sont agrave 1 (seacuterie E96) car ce sont elles qui fixent la valeurpreacutecise de la tension de sortieAux freacutequences eacuteleveacutees on associe souvent une bobine et un conden-sateur pour former un circuit accordeacute (appeleacute aussi circuit reacutesonnantou circuit oscillant) Ce circuit a la particulariteacute drsquoun filtre seacutelectifOn lrsquoutilise par exemple dans les amplificateurs en classe C(figure 320)
Dans ce montage le transistor a une polarisation de base neacutegative agravecause du condensateur drsquoentreacutee qui se charge agrave la mise sous tensionLe transistor ne conduit donc que pendant une bregraveve dureacutee agravechaque peacuteriode du signal drsquoentreacutee Pour reconstituer une sinusoiumldeen sortie on filtre le courant de collecteur (formeacute de pics) par lecircuit accordeacute sur la freacutequence drsquoentreacutee Avec les valeurs proposeacuteessur le scheacutema la freacutequence drsquoaccord est environ 1 MHz
Figure 320 ndash Amplificateur seacutelectif en classe C
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES74
Les bobines sont aussi utiliseacutees en hautes freacutequences pour la polari-sation des transistors Ce sont les bobines drsquoarrecirct (appeleacutees selfs dechoc dans le jargon eacutelectronicien) Par exemple on peut utilisercette solution dans un oscillateur LC du type Colpitts (figure 321)
Sa freacutequence drsquooscillation est fixeacutee agrave environ 1 MHz par la celluleformeacutee de la bobine de 47 microH et des deux condensateurs de 1 nFLe transistor est relieacute agrave lrsquoalimentation du cocircteacute collecteur par unebobine drsquoarrecirct Pour la composante continue (polarisation) cettebobine est presque un court-circuit tandis que pour les signaux dehaute freacutequence crsquoest presque un circuit ouvertLes bobines drsquoarrecirct jouent donc le rocircle inverse de celui des conden-sateurs de liaison On peut ainsi aiguiller les courants continus et lescourants alternatifs dans des branches diffeacuterentes De plus il nrsquoy apas de pertes par effet Joule dans la bobine (en fait des pertes tregravesfaibles) contrairement agrave ce qui se passe dans les reacutesistances de pola-risation des amplificateurs en basses freacutequences
Figure 321 ndash Oscillateur Colpitts avec polarisation du collecteur par une bobine drsquoarrecirct
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CHAPITRE 3 - BOBINES ET TRANSFORMATEURS 75
Le transformateur drsquoimpulsions permet la commande des thyris-tors Il transmet les impulsions issues du geacuteneacuterateur de deacuteclen-chement en assurant un isolement galvanique entre circuit depuissance (thyristor) et circuit de commande (figure 322)
On a repreacutesenteacute la commande drsquoun thyristor unique sans indiquerla configuration du circuit de puissance Le primaire du transfor-mateur est commandeacute par un transistor fonctionnant en commuta-tion D est une diode de roue libre elle permet lrsquoeacutecoulement ducourant lorsque le transistor est bloqueacute (pour deacutemagneacutetiser le trans-formateur drsquoimpulsions)
Figure 322 ndash Commande drsquoun thyristor par un transformateur drsquoimpulsions
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4
IODES
La diode est le composant agrave semi-conducteur le plus simple Sonusage est reacutepandu aussi bien en eacutelectronique de signal qursquoen eacutelectro-nique de puissance
41 Principes et proprieacuteteacutes
Constitution
Une diode est un dipocircle passif et non-lineacuteaire Passif parce que cecomposant ne peut jamais fournir drsquoeacutenergie au circuit et nonlineacuteaire parce que la tension agrave ses bornes nrsquoest pas proportionnelleau courant Pour former une diode on utilise un mateacuteriau semi-conducteur (le silicium en geacuteneacuteral) sur lequel on creacutee une jonctionen dopant diffeacuteremment deux zones crsquoest-agrave-dire en ajoutant desimpureteacutes qui modifient le comportement eacutelectrique de la subs-tance On creacutee ainsi une zone P et une zone N (
figure 41
)Crsquoest la jonction qui donne agrave la diode ses proprieacuteteacutes particuliegraveresLa connexion relieacutee agrave la partie dopeacutee P est appeleacutee anode et celle quiest relieacutee agrave la partie N est nommeacutee cathode
Symboles
On repreacutesente la diode par son symbole normaliseacute (
figure 42
) oupar drsquoautres symboles (
figure 43
)
D
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ONNAIcircTRE
LES
COMPOSANTS
EacuteLECTRONIQUES
78
Fonctionnement
En simplifiant on peut dire qursquoune diode laisse passer le courantlorsqursquoelle est brancheacutee en polarisation directe (tension positive surlrsquoanode) et qursquoelle bloque le passage du courant lorsque la polarisa-tion est inverse (tension positive sur la cathode) Dans le premier cas(
figure 44
) on dit que la diode est passante ou conductrice et dansle second cas (
figure 45
) on dit que la diode est bloqueacutee Si lrsquoon regarde drsquoun peu plus pregraves on constate qursquoil faut en fait unminimum de tension directe pour rendre la diode conductrice crsquoestle seuil de la jonction Pour une diode au silicium ce seuil est de
Figure 41 ndash Constitution de principe drsquoune diode
Figure 42 ndash Symbole normaliseacute drsquoune diode
Figure 43 ndash Autres formes rencontreacutees pour le symbole drsquoune diode
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IODES
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lrsquoordre de 06 V Tant que la diode reste passante la tension agrave sesbornes garde une valeur voisine de 06 agrave 07 VEn polarisation inverse on constate que si lrsquoon deacutepasse une certainevaleur de tension il apparaicirct eacutegalement un courant crsquoest le claquagede la jonction Ce pheacutenomegravene est ducirc soit agrave lrsquoeffet drsquoavalanche soit agravelrsquoeffet Zener Le claquage nrsquoest pas destructif agrave condition que lecourant soit limiteacute agrave une valeur raisonnable par une reacutesistance
Diode Zener
Lorsque la diode est utiliseacutee dans la zone de claquage elle conserveune tension constante agrave ses bornes la valeur deacutependant du composantchoisi Pour les diodes ordinaires on cherche agrave rejeter ce pheacutenomegravene
Figure 44 ndash Diode polariseacutee en direct
Figure 45 ndash Diode polariseacutee en inverse
C
ONNAIcircTRE
LES
COMPOSANTS
EacuteLECTRONIQUES
80
le plus loin possible la tension correspondante est souvent deplusieurs centaines de volts Dans certains cas on veut au contraireutiliser cette zone de claquage afin de maintenir une tension cons-tante on fait appel pour cela agrave des eacuteleacutements particuliers les diodesstabilisatrices de tension ou diodes Zener pour lesquelles la tension declaquage est faible (quelques volts ou quelques dizaines de volts)On les repreacutesente par leur symbole normaliseacute (
figure 46
) ou pardrsquoautres scheacutemas (
figure 47
)
Diode varicap
Une diode polariseacutee en inverse se comporte essentiellement commeune tregraves grande reacutesistance (pas de courant) mais eacutegalement enreacutegime variable comme un petit condensateur En effet la jonctionpreacutesente une certaine capaciteacute de par son fonctionnement (cettevaleur est bien supeacuterieure agrave une capaciteacute parasite entre eacutelectrodes)Ce qui est inteacuteressant pour les applications crsquoest que cette capaciteacuteinterne de la diode varie avec la tension appliqueacutee au composantOn peut ainsi obtenir des condensateurs variables commandeacutes parune tension Toutefois les capaciteacutes restent faibles (quelques dizaines de picofa-rads) Des diodes sont speacutecialement preacutevues pour cet usage les
Figure 46 ndash Symbole normaliseacute drsquoune diode Zener
Figure 47 ndash Autres repreacutesentations utiliseacutees pour les diodes Zener
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IODES
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diodes agrave capaciteacute variable souvent nommeacutees varicap On les repreacute-sente par leur symbole normaliseacute (
figure 48
) ou par un autre scheacutema(
figure 49
)
Photodiode
Le courant inverse drsquoune jonction nrsquoest pas tout agrave fait nul il existe uncourant de fuite Ce dernier augmente sensiblement lorsque lrsquooneacuteclaire la jonction Ce pheacutenomegravene est exploiteacute dans les photodiodes ce sont simplement des diodes au silicium dont la jonction peut ecirctreeacuteclaireacutee On les repreacutesente par leur symbole normaliseacute (
figure 410
)On polarise la photodiode en inverse (
figure 411
)
Figure 48 ndash Symbole normaliseacute drsquoune diode agrave capaciteacute variable
Figure 49 ndash Autre repreacutesentation rencontreacutee pour une diode agrave capaciteacute variable
Figure 410 ndash Symbole normaliseacute drsquoune photodiode
C
ONNAIcircTRE
LES
COMPOSANTS
EacuteLECTRONIQUES
82
Le courant inverse
I
est proportionnel agrave lrsquoeacuteclairement reccedilu La tensionprise aux bornes de la reacutesistance R est lrsquoimage du courant (
U
=
RI
)On a donc reacutealiseacute un capteur optique
Diode eacutelectroluminescente
Lrsquoeffet inverse est obtenu avec les diodes eacutelectroluminescentes(LED
light-emitting diode
) Ce sont des composants qui eacutemettentde la lumiegravere quand un courant les parcourt Ils sont utiliseacutescomme voyants lumineuxCes diodes ne sont pas constitueacutees de silicium mais drsquoautres mateacute-riaux semi-conducteurs composeacutes de lrsquoarseacuteniure de gallium De cefait la tension preacutesente agrave leurs bornes lorsqursquoelles sont conductricesnrsquoest pas 06 V elle vaut de 16 V agrave 25 V suivant la couleur de lalumiegravere eacutemise La chute de tension est drsquoautant plus eacuteleveacutee que lalongueur drsquoonde est faible On peut par exemple obtenir 16 Vpour le rouge 22 V pour le jaune et 23 V pour le vert (avec uncourant de 10 mA)On les repreacutesente par leur symbole normaliseacute (
figure 412
)
Figure 411 ndash Photodiode utiliseacutee en capteur optique
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IODES
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42 Caracteacuteristiques technologiques
Limites de fonctionnement
Les principaux critegraveres de choix drsquoune diode sont le courant maxi-mal en direct la tension maximale en inverse et la rapiditeacute Lesordres de grandeur de ces paramegravetres sont tregraves varieacutes le courantmaximal peut ecirctre de 100 mA pour une diode utiliseacutee en eacutelectroni-que de signal mais aussi de 100 A pour un composant faisantpartie drsquoun convertisseur de puissance Les preacutesentations de ceseacuteleacutements sont eacutevidemment tregraves diffeacuterentes et les prix ne sont pasnon plus du mecircme ordre de grandeur Nous nous limiterons ici agravepreacutesenter les petites diodes qui apparaissent le plus souvent dans lesreacutealisations eacutelectroniques Malgreacute un nombre eacuteleveacute de reacutefeacuterences ilnrsquoy a en reacutealiteacute que quelques cateacutegories effectivement distinctes Onrencontre essentiellement deux types de composants les diodes designal et les diodes de redressement Les premiegraveres sont rapidesmais ne supportent que des courants faibles Les secondes acceptentdes intensiteacutes plus eacuteleveacutees mais sont relativement lentes On peutciter la diode de signal la plus reacutepandue et qui convient pratique-ment toujours dans ce rocircle la diode 1N4148 Sa tension inverseest 75 V et son courant est 225 mA Pour le redressement onrencontre tregraves freacutequemment les diodes de la seacuterie 4000 Ellessupportent 1 A et leur tension maximale deacutepend de la reacutefeacuterenceexacte comme lrsquoindique le
tableau 41
Eacutetant donneacute que les prix des diffeacuterentes variantes sont tregraves voisins onpeut se contenter en geacuteneacuteral de nrsquoutiliser qursquoune seule reacutefeacuterence En
Figure 412 ndash Symbole normaliseacute drsquoune diode eacutelectroluminescente
C
ONNAIcircTRE
LES
COMPOSANTS
EacuteLECTRONIQUES
84
raison de lrsquoordre de grandeur des tensions habituellement rencon-treacutees on peut par exemple choisir la diode 1N4004 Exceptionnelle-ment le courant maximal du composant doit ecirctre supeacuterieur agrave 1 AOn fait alors appel agrave drsquoautres eacuteleacutements Les diodes 3 A sont assezsouvent employeacutees On peut citer par exemple la reacutefeacuterence BY255
Marquage
Les petites diodes se preacutesentent sous une forme voisine de celle desreacutesistances La cathode est indiqueacutee par un trait sur le corps du com-posant (
figure 413
)Le marquage est souvent en clair mais on peut parfois rencontrerdes eacuteleacutements marqueacutes par un code des couleurs (
figure 414
)
Ponts mouleacutes
On utilise souvent pour les redresseurs des ponts mouleacutes qui com-prennent les quatre diodes drsquoun montage double alternance deGraetz
43 Domaines drsquoutilisation
La diode est tregraves inteacuteressante pour le redressement des signaux alter-natifs Cette fonction se rencontre surtout dans les alimentationscontinues mais on lrsquoutilise aussi pour deacutetecter lrsquoamplitude drsquounetension (par exemple dans certains amplificateurs agrave commandeautomatique de gain) Le montage le plus simple nrsquoutilise une seulediode (
figure 415
) Si lrsquoon applique une tension sinusoiumldale agrave lrsquoentreacutee du circuit onobtient en sortie les alternances positives (
figure 416
)
Tableau 41 ndash Tensions maximales des diodes de la seacuterie 4000
Reacutefeacuterence
1N4001 1N4002 1N4004 1N4005 1N4006 1N4007
Tension maximale (V)
50 100 400 600 800 1 000
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IODES
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Figure 413 ndash Anneau permettant de repeacuterer la cathode
Figure 414 ndash Marquage drsquoune diode par le code des couleurs
Figure 415 ndash Redresseur simple alternance
C
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LES
COMPOSANTS
EacuteLECTRONIQUES
86
En effet si lrsquoon neacuteglige le seuil de conduction de la diode devantlrsquoamplitude du signal drsquoentreacutee on constate que lrsquoeacuteleacutement redresseurest polariseacute en direct pendant une demi-peacuteriode et polariseacute eninverse pendant lrsquoautre demi-peacuteriode Ce montage est appeleacute redres-seur simple alternance Pour obtenir une tension sensiblementcontinue on place un condensateur en parallegravele sur la reacutesistance(
figure 417
)
Figure 416 ndash Allure de la tension de sortie du redresseur simple alternance quand la tension drsquoentreacutee est sinusoiumldale
Figure 417 ndash Redresseur avec condensateur de filtrage
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La
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on a
utor
iseacutee
est
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deacutelit
C
HAPITRE
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IODES
87
On effectue ainsi un filtrage (voir chapitre 2) La tension de sortie aalors une allure proche du continu (
figure 418
)
La diode nrsquoest passante que pendant la dureacutee neacutecessaire agrave la rechargedu condensateur Ce dernier assure lrsquoalimentation de la reacutesistancede charge lorsque la diode est bloqueacutee Ce montage eacuteleacutementaire ades performances meacutediocres et nrsquoest pas utiliseacute pour la conversiondrsquoeacutenergie (alimentations continues) mais seulement pour la deacutetec-tion drsquoamplitude drsquoun signal alternatif (amplificateurs oscilla-teurshellip) Dans ce dernier rocircle lorsque les tensions sont faibles etqursquoune bonne preacutecision est deacutesireacutee lrsquoinfluence du seuil ne peut plusecirctre neacutegligeacutee Lrsquoemploi drsquoun amplificateur opeacuterationnel associeacute agravedeux diodes permet de reacutesoudre le problegraveme (
figure 419
) Lrsquoeacutetude du fonctionnement montre que la tension de sortie estredresseacutee simple alternance sans aucun effet de seuil Il srsquoy ajouteune inversion de signe (
figure 420
)Dans les alimentations continues on utilise un redressementdouble alternance Le filtrage de la tension de sortie est alors plusfacile Deux montages sont possibles le pont de Graetz eacutetudieacute auchapitre 2 et le circuit laquo va-et-vient raquo abordeacute au chapitre 3Les diodes Zener servent surtout agrave la stabilisation des tensions Onpeut ainsi reacutealiser des reacutefeacuterences de tension qui permettent drsquoobte-nir une tension continue deacutetermineacutee avec une bonne stabiliteacute
Figure 418 ndash Allure de la tension de sortie du redresseur avec condensateur de filtrage
C
ONNAIcircTRE
LES
COMPOSANTS
EacuteLECTRONIQUES
88
Figure 419 ndash Redresseur sans seuil
Figure 420 ndash Tension redresseacutee sans seuil
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4 - D
IODES
89
Il faut pour cela disposer drsquoune alimentation de tension
E
supeacute-rieure agrave la valeur demandeacutee en sortie et associer une reacutesistance R agravela diode Zener (
figure 421
)
La diode est polariseacutee en inverse et elle fixe la tension agrave ses bornes agraveune valeur choisie La diffeacuterence de tension entre lrsquoalimentation etla diode Zener donne une chute de tension dans la reacutesistance Si lecourant deacutebiteacute est neacutegligeable le courant dans la reacutesistance passeaussi dans la diode Il faut respecter deux conditions le courant nedoit pas ecirctre trop eacuteleveacute pour ne pas deacutepasser la dissipation maximaleautoriseacutee pour la Zener mais sa valeur ne doit pas descendre endessous de quelques milliampegraveres pour rester dans la zone dereacutegulation de la diode On en deacuteduit un minimum et un maximumpour la valeur de
R
si la puissance de la diode est imposeacutee On atoutefois inteacuterecirct agrave choisir le courant le plus faible possible poureacuteconomiser lrsquoalimentation On se place donc un peu au-dessus duminimum en prenant par exemple 10 mA Avec une alimentationde 9 V et une diode Zener de 62 V on calcule
soit
Figure 421 ndash Stabilisation de tension par diode Zener
RE VZndash
I----------------=
R 9 62ndash001
---------------- 280 Ω= =
C
ONNAIcircTRE
LES
COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES90
On prend la valeur normaliseacutee immeacutediatement supeacuterieure dans laseacuterie E12 330 Ω La puissance dissipeacutee dans la Zener est alors
soit
Les diodes Zener courantes peuvent dissiper 400 mW ce quiconvient ici Il reste agrave calculer la puissance dans la reacutesistance
soit
Une reacutesistance W convient bienOn ne peut pas utiliser ce montage pour fournir un courant desortie important mais on peut lui demander quelques milliampegrave-res Le courant dans la reacutesistance nrsquoest plus alors eacutegal au courantdans la diode Il faut appliquer la loi des nœuds (figure 422)
Pour un courant demandeacute de 5 mA on a
La valeur de reacutesistance devient
On choisit donc la valeur normaliseacutee supeacuterieure 220 Ω Le reste ducalcul est analogue
PZ VZ I VZE VZndash
R----------------= =
PZ 629 62ndash
330----------------times 0053 W (53 mW)= =
PR
E VZndash
2
R------------------------=
PR9 62ndash( )2
330------------------------ 0024 W (24 mW)= =
14
I IZ IL+=
I 10 5+ 15 mA= =
R 9 62ndash0015
---------------- 187 Ω= =
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CHAPITRE 4 - DIODES 91
Il est facile de reacutealiser une petite alimentation stabiliseacutee quand lecourant deacutebiteacute reste faible (figure 423)
La tension du secteur est abaisseacutee par un transformateur qui assureeacutegalement lrsquoisolement Un pont de diodes effectue le redressementle filtrage eacutetant obtenu par un condensateur chimique La diodeZener et la reacutesistance associeacutee permettent de stabiliser la tension desortie agrave 75 V Ce montage tregraves simple ne convient que pour descourants limiteacutes agrave quelques milliampegraveres Lorsque lrsquoon a besoindrsquoun courant plus eacuteleveacute il faut faire appel agrave des transistors ou plussouvent agrave des reacutegulateurs inteacutegreacutes (voir chapitre 6)
Figure 422 ndash Stabilisateur chargeacute
Figure 423 ndash Alimentation stabiliseacutee pour faible deacutebit
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES92
Dans certains montages les diodes ont un rocircle de protection elleslimitent certaines tensions afin drsquoeacuteviter le deacutepassement de valeursmaximales autoriseacutees Par exemple consideacuterons un comparateur agraveamplificateur opeacuterationnel (figure 424)
La sortie est agrave lrsquoeacutetat haut (81 V) si la tension appliqueacutee agrave lrsquoentreacutee E1est supeacuterieure agrave la tension sur lrsquoentreacutee E2 et agrave lrsquoeacutetat bas (ndash 81 V)dans le cas contraire Si les bornes drsquoentreacutee sont accessibles on risquedrsquoy appliquer des tensions destructrices pour le circuit inteacutegreacute Eneffet un amplificateur opeacuterationnel a deux sortes de limitationsdrsquoentreacutee la tension appliqueacutee sur ces bornes ne doit pas deacutepasser15 V (ou la tension drsquoalimentation si celle-ci est infeacuterieure agrave 15 V) etla diffeacuterence des tensions sur les entreacutees ne doit pas exceacuteder 30 V(une Zener passante en inverse et lrsquoautre en direct) Les diodesZener Z1 et Z2 limitent la tension sur lrsquoentreacutee + agrave 106 V dans unsens et dans lrsquoautre Les diodes D1 et D2 limitent la diffeacuterence des
Figure 424 ndash Comparateur agrave amplificateur opeacuterationnel
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CHAPITRE 4 - DIODES 93
tensions drsquoentreacutee agrave 06 V dans un sens et dans lrsquoautre La tensionpreacutesente sur lrsquoentreacutee ndash est limiteacutee par lrsquoensemble agrave 112 V (une diodeordinaire passante en seacuterie avec les deux diodes Zener) Le fonction-nement du comparateur nrsquoest pas affecteacute par les protections car lesigne de la diffeacuterence des tensions nrsquoest pas modifieacuteLes diodes Zener Z3 et Z4 brancheacutees en sortie de lrsquoamplificateuropeacuterationnel ont pour rocircle de fixer les niveaux de tension En leurabsence lrsquoamplificateur opeacuterationnel serait satureacute soit positivementsoit neacutegativement et la tension de sortie vaudrait environ ndash 14 V ou14 V pour une alimentation double de ndash 15 V et 15 V Lrsquoune desdiodes Zener est passante en sens inverse et lrsquoautre en sens direct Latension de sortie peut ainsi prendre les valeurs 81 V (un seuil de06 V ajouteacute agrave la tension de Zener 75 V) et ndash 81 V Cela permetdrsquoadapter les niveaux de sortie agrave lrsquoutilisation indeacutependamment delrsquoalimentation Les valeurs de tension sont eacutegalement mieux connuescar les tensions de saturation drsquoun amplificateur opeacuterationnel sontdes paramegravetres dont on ne connaicirct que lrsquoordre de grandeur (1 agrave 2 Ven dessous de lrsquoalimentation) On remarque qursquoici aucune reacutesistancenrsquoest associeacutee aux diodes Zener de sortie Cela est ducirc au fait que lecircuit inteacutegreacute limite lui-mecircme son courant de sortie (agrave environ 20ou 30 mA)On a deacutejagrave rencontreacute au chapitre 3 une diode de roue libre dans uncircuit de commande de thyristor par transformateur drsquoimpulsionsOn utilise cette configuration agrave chaque fois que lrsquoon commande uncircuit inductif (bobine transformateurhellip) par un transistor encommutation En effet lors du blocage du transistor il faut que lecourant dans la bobine puisse continuer agrave srsquoeacutecouler pour assurerlrsquoeacutevacuation de lrsquoeacutenergie eacutelectromagneacutetique emmagasineacutee Voiciquelques exemples drsquoapplications souvent rencontreacutees commandede relais (figure 425) convertisseurs et alimentations agrave deacutecoupagehacheur pour moteur agrave courant continuhellipLes diodes sont aussi employeacutees comme aiguillage de courant(figure 426)Le montage est un geacuteneacuterateur drsquoimpulsions dont on fixe la dureacutee gracircceau courant aiguilleacute par les diodes dans deux reacutesistances diffeacuterentessuivant son sens (figure 427)
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES94
Lrsquoamplificateur opeacuterationnel associeacute aux deux reacutesistances de 100 kΩforme une bascule agrave hysteacutereacutesis (trigger de Schmitt) Le condensateurse charge alternativement dans un sens et dans lrsquoautre entre les deuxseuils du trigger Quand la sortie est agrave lrsquoeacutetat haut le courant traversela reacutesistance R1 = 390 Ω tandis que quand la sortie est agrave lrsquoeacutetat bas lecourant de sens inverse traverse la reacutesistance R2 = 39 kΩ Lesdiodes servent agrave aiguiller le courant dans des branches diffeacuterentespour obtenir des dureacutees ineacutegales pour lrsquoeacutetat haut et lrsquoeacutetat bas Onchiffre la dissymeacutetrie de ces dureacutees par le rapport cyclique
Crsquoest le quotient de la dureacutee de lrsquoeacutetat haut par la peacuteriode Le reacutesultatest souvent donneacute en pourcentage Pour le montage consideacutereacute lerapport cyclique est fixeacute par R1et R2 suivant la formule
ce qui donne
Figure 425 ndash Commande drsquoun relais par un transistor et une diode de roue libre
αt1
t1 t2+---------------=
αR1
R1 R2+------------------=
α 390390 39 000+------------------------------- 001 soit 1 = =
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CHAPITRE 4 - DIODES 95
Figure 426 ndash Geacuteneacuterateur drsquoimpulsions
Figure 427 ndash Allure de la tension de sortie du geacuteneacuterateur drsquoimpulsions (la largeur du pic est volontairement exageacutereacutee)
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES96
La freacutequence du signal de sortie est
Avec les valeurs numeacuteriques du scheacutema la freacutequence est voisine de1 kHzIl faut noter qursquoil est neacutecessaire drsquoutiliser un amplificateur opeacutera-tionnel suffisamment rapide dans ce montage En effet mecircme si lafreacutequence nrsquoest pas tregraves eacuteleveacutee (1 kHz) la dureacutee du pic est assezbregraveve (environ 10 micros) Un circuit du type TL081 peut convenirmais un classique 741 est trop lent
f 091R1 R2+( )C
-----------------------------=
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5
RANSISTORS
Le transistor est lrsquoeacuteleacutement de base de lrsquoeacutelectronique moderne Si lescircuits inteacutegreacutes sont formeacutes drsquoun grand nombre de transistorsregroupeacutes sur la mecircme pastille de semi-conducteur on trouve aussidans beaucoup de domaines des transistors discrets (un seul eacuteleacutementpar boicirctier)
51 Principe et proprieacuteteacutes
Il existe trois cateacutegories de transistors les transistors bipolaires lestransistors agrave effet de champ agrave jonction et les transistors MOS
Transistors bipolaires
Constitution
Ce sont les composants les plus reacutepandus On les nomme souventsimplement transistors sans autre qualificatif Bien que le principedu transistor agrave effet de champ soit connu depuis plus longtemps quecelui du transistor bipolaire crsquoest ce dernier qui a fait lrsquoobjet despremiegraveres reacutealisations Issu des recherches meneacutees pendant la secondeguerre mondiale le transistor est apparu en 1948Un transistor est formeacute drsquoun barreau de semi-conducteur dans lequelon a creacuteeacute deux jonctions On obtient ainsi trois zones dopeacutees defaccedilons diffeacuterentes Deux variantes apparaissent suivant la nature desdopages (P ou N) le transistor NPN (
figure 51
) et le transistor PNP(
figure 52
)
T
C
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LES
COMPOSANTS
EacuteLECTRONIQUES
98
Symboles
On repreacutesente les transistors par leurs symboles normaliseacutes(
figure 53
)
Principe
Les trois bornes sont appeleacutees base (B) eacutemetteur (E) et collecteur(C) Le transistor est un tripocircle (eacuteleacutement agrave trois bornes) mais onlrsquoutilise souvent comme un quadripocircle en choisissant une bornecommune agrave lrsquoentreacutee et la sortie
Figure 51 ndash Constitution de principe drsquoun transistor NPN
Figure 52 ndash Constitution de principe drsquoun transistor PNP
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RANSISTORS
99
Dans le montage de base on a relieacute un geacuteneacuterateur de tensioncontinue
E
C
et une reacutesistance R
C
entre le collecteur et lrsquoeacutemetteurdu transistor et un autre geacuteneacuterateur de tension continue
E
B
et unereacutesistance R
B
entre base et eacutemetteur (
figure 54
)Lrsquoentreacutee du montage est cocircteacute base la sortie est cocircteacute collecteur etlrsquoeacutemetteur est la borne commune aux circuits drsquoentreacutee et de sortie on dit que le transistor est monteacute en eacutemetteur commun En faisantvarier la tension
E
B
on peut atteindre les diffeacuterents reacutegimes defonctionnement du transistor Si les polariteacutes du geacuteneacuterateur
E
B
sont
Figure 53 ndash Symboles normaliseacutes des transistors
Figure 54 ndash Transistor en eacutemetteur commun (scheacutema de principe)
C
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COMPOSANTS
EacuteLECTRONIQUES
100
inverseacutees par rapport agrave celles de la figure il nrsquoy a aucun courant dansle montage le transistor est bloqueacute La tension
V
CE
entre collec-teur et eacutemetteur est eacutegale agrave
E
C
puisqursquoil nrsquoy a aucune chute detension dans
R
C
La tension
V
BE
est eacutegale agrave
E
B
(
figure 55
)Quand on met le geacuteneacuterateur
E
B
dans le sens indiqueacute sur la figure(pocircle + du cocircteacute de la base) il nrsquoy a toujours aucun courant si
E
B
nedeacutepasse pas un seuil drsquoenviron 06 V (comme pour une diode)Lorsque
E
B
a deacutepasseacute 06 V il apparaicirct des courants dans les diffeacute-rentes branches du circuit Si lrsquoon fait croicirctre
E
B
ces courantsaugmentent la tension de base
V
BE
reste pratiquement constante(eacutegale agrave 06 V) et la tension de collecteur
V
CE
diminue progressive-ment Le courant de base
I
B
est assez faible devant les courants decollecteur
I
C
et drsquoeacutemetteur
I
E
Comme la tension
V
BE
est sensible-ment constante on peut facilement calculer
I
B
par la loi drsquoOhm
Le courant de collecteur augmente proportionnellement au courantde base
IB
EB VBEndash
RB---------------------- avec VBE 06 Vasymp=
IC βIB=
Figure 55 ndash Transistor bloqueacute
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RANSISTORS
101
β
(becircta) est un paramegravetre caracteacuteristique du transistor nommeacuteamplification en courant ou plus simplement gain Son ordre degrandeur est variable plusieurs centaines pour les petits transistorsquelques dizaines pour les composants de plus forte puissance Lecourant
I
C
creacutee une chute de tension dans R
C
qui a pour conseacute-quence de faire baisser la tension de collecteur
Le courant drsquoeacutemetteur
I
E
est la somme du courant de collecteur
I
C
et du courant de base
I
B
Comme
I
B
est en geacuteneacuteral faible devant
I
C
(agrave condition que
β
soitassez grand) on peut confondre
I
E
et
I
C
Dans ce fonctionnement le transistor est conducteur On peutreacutesumer les diffeacuterents reacutesultats sur un scheacutema (
figure 56
)
VCE EC RC ICndash=
IE IC IB+=
IE ICasymp
Figure 56 ndash Transistor passant
C
ONNAIcircTRE
LES
COMPOSANTS
EacuteLECTRONIQUES
102
Si lrsquoon continue agrave augmenter
E
B
il arrive un moment ougrave lecourant
I
C
cesse de croicirctre le transistor est satureacute (
figure 57
)
Figure 57 ndash Transistor satureacute
Figure 58 ndash Polariteacutes pour un transistor PNP
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RANSISTORS
103
La tension VCE est pratiquement nulle (quelques dixiegravemes de volt)et la chute de tension aux bornes de la reacutesistance de collecteur estpratiquement eacutegale agrave ECLes deux eacutetats extrecircmes blocage et saturation correspondent agrave untransistor qui fonctionne comme un interrupteur placeacute entre collec-teur et eacutemetteur et commandeacute par la base On dit que le fonction-nement est en commutation Lrsquoeacutetat conducteur est utiliseacute pour lesapplications en amplificationLe raisonnement a eacuteteacute fait pour un transistor NPN (le plus courant)Pour un transistor PNP les reacutesultats sont analogues mais les polariteacutesdes tensions et les sens des courants sont modifieacutes (figure 58)
Transistors agrave effet de champ agrave jonctionBien qursquoils soient beaucoup moins reacutepandus que les transistors bipo-laires les transistors agrave effet de champ sont inteacuteressants dans certainesapplications On les deacutesigne par TEC ou par FET (field effect transis-tor) On trouve aussi lrsquoappellation plus complegravete mais un peu vieilliede JFET (junction field effect transistor) Ce composant est formeacutedrsquoun barreau de semi-conducteur dont les extreacutemiteacutes sont lasource (S) et le drain (D) Une jonction normalement bloqueacutee estcreacuteeacutee par la grille (G) Selon la nature du dopage du barreau ondistingue les TEC canal N ou canal P Suivant la tension appliqueacuteeentre grille et source le canal situeacute entre drain et source va plus oumoins se reacutetreacutecir et en conseacutequence le courant va ecirctre modifieacuteComme la jonction de grille est bloqueacutee il nrsquoy a aucun courant quicircule dans cette eacutelectrode Crsquoest lagrave un avantage certain du TEC surle transistor bipolaire La commande ne neacutecessite aucune puissanceLa grandeur drsquoentreacutee est la tension VGS entre grille et source alorsque crsquoest le courant de base IB pour le transistor bipolaire On ditqursquoun TEC est commandeacute en tension alors qursquoun transistor bipo-laire est commandeacute en courant On repreacutesente les transistors agrave effetde champ par leurs symboles normaliseacutes (figure 59) On rencontredrsquoautres scheacutematisations mais elles ont lrsquoinconveacutenient de ne paspermettre de distinguer le drain de la source (figure 510)
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES104
Transistors MOSLes transistors MOS sont aussi des eacuteleacutements agrave effet de champ maisla grille au lieu drsquoecirctre une jonction bloqueacutee est un isolant (oxyde)Le symbole MOS signifie metal-oxyde-semiconductor Lrsquoappellationcomplegravete un peu vieillie est MOSFET (metal-oxyde-semiconductorfield effect transistor) On nomme aussi ce composant transistor agraveeffet de champ agrave grille isoleacutee ce qui correspond aux initiales IGFET(insulated gate field effect transistor) On retrouve les deux types decanaux N ou P On distingue eacutegalement les MOS agrave appauvrisse-ment (depletion) et les MOS agrave enrichissement (enhancement)Les premiers fonctionnent comme les TEC agrave jonction le canal sereacutetreacutecit lorsque lrsquoon applique une tension de grille Les seconds
Figure 59 ndash Symboles normaliseacutes des TEC
Figure 510 ndash Autres repreacutesentations des TEC
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CHAPITRE 5 - TRANSISTORS 105
nrsquoont pas de canal preacutealable Crsquoest la tension appliqueacutee qui permetla creacuteation de ce canal Les symboles permettent de distinguer lesdiffeacuterents types de transistors MOS (figure 511) Des repreacutesenta-tions symeacutetriques (qui ne distinguent pas la source et le drain) sontparfois employeacutees
PhototransistorsDans le domaine de lrsquooptoeacutelectronique on rencontre des photo-transistors qui sont utiliseacutes comme capteurs de la mecircme maniegravereque les photodiodes (figure 512)La conduction eacutetant commandeacutee par lrsquoeacuteclairement et non par uncourant de base cette derniegravere eacutelectrode nrsquoest parfois pas sortie
Figure 511 ndash Symboles normaliseacutes des transistors MOS
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES106
PhotocoupleursUne configuration particuliegraverement inteacuteressante est le photocoupleurou optocoupleur Il srsquoagit de lrsquoassociation dans un mecircme boicirctierdrsquoune diode eacutelectroluminescente et drsquoun phototransistor (figure 513)Ce circuit permet de transmettre un signal en assurant un isolemententre deux parties du montage Ce rocircle est similaire agrave celui du trans-formateur mais les domaines drsquoapplication sont diffeacuterents
52 Caracteacuteristiques technologiquesTransistors bipolaires
Il existe un tregraves grand nombre de reacutefeacuterences diffeacuterentes pour les tran-sistors Le choix peut paraicirctre difficile mais en fait dans bon nombre
Figure 512 ndash Symbole normaliseacute du phototransistor
Figure 513 ndash Photocoupleur
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CHAPITRE 5 - TRANSISTORS 107
drsquoapplications seuls quelques paramegravetres sont importants et beau-coup de modegraveles diffeacuterents peuvent convenir Il faut drsquoabord deacuteter-miner le type de transistor agrave employer Les composants les pluscourants sont les transistors bipolaires NPN On emploie destransistors PNP dans certains cas particuliers en geacuteneacuteral en associa-tion avec des NPN On peut citer lrsquoamplificateur de puissance classe Bqui utilise deux transistors compleacutementaires (un NPN et un PNPde caracteacuteristiques similaires) et les transistors PNP dont on relielrsquoeacutemetteur du cocircteacute alimentation positive pour eacuteviter une inversion dusignal de commande Il faut noter que dans les montages assezanciens on trouve au contraire surtout des transistors du type PNP(au germanium)
Transistors agrave effet de champLes TEC sont utiliseacutes dans quelques applications speacutecifiques Le faitqursquoils ne neacutecessitent pas de courant de grille les rend particuliegraverementinteacuteressants dans les eacutetages drsquoentreacutee des amplificateurs Dans certainscas on peut aussi utiliser un TEC comme reacutesistance commandeacutee parune tension Les TEC preacutesentent eacutegalement des avantages pour lareacutealisation des commutateurs analogiques Pratiquement tous les tran-sistors agrave effet de champ utiliseacutes sont agrave canal N Les composants agravecanal P de moindres performances ne sont choisis qursquoen cas drsquoabsolueneacutecessiteacute De plus il nrsquoexiste pas de TEC (agrave jonction) de puissance
Transistors MOSPar contre les transistors MOS sont peu reacutepandus comme compo-sants discrets de petite puissance mais on les rencontre de plus enplus comme eacuteleacutements de commutation de puissance Dans cedomaine ils sont en concurrence avec les transistors bipolairespreacutesents depuis plus longtemps
Transistors dans les circuits inteacutegreacutesLes composants utiliseacutes dans les circuits inteacutegreacutes sont souvent destransistors bipolaires (famille logique TTL circuits analogiques)parfois associeacutes avec des TEC pour les eacutetages drsquoentreacutee (amplifica-
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES108
teurs opeacuterationnels bifet) mais aussi beaucoup de transistors MOSen particulier dans une configuration compleacutementaire canal Ncanal P (famille logique CMOS mais aussi circuits analogiques)
Critegraveres de choixLes principaux critegraveres de choix drsquoun transistor discret sont ses limi-tes absolues (tension courant et surtout puissance) et sa rapiditeacutePar exemple pour un transistor bipolaire de type NPN les valeursmaximales portent sur la tension entre collecteur et eacutemetteur (VCE)le courant de collecteur (IC) et la puissance totale agrave peu pregraves eacutegaleagrave VCE IC La limite sur la tension entre base et eacutemetteur esteacutegalement tregraves importante mais ce nrsquoest pas en geacuteneacuteral un critegravere dechoix du transistor plutocirct un paramegravetre agrave prendre en compte lorsde la conception du montage Pour chiffrer les ordres de grandeursun petit transistor courant du type 2N2222 a pour limites
La rapiditeacute drsquoun transistor peut ecirctre chiffreacutee par la freacutequence detransition f T Il faut toutefois prendre garde que ce nombre engeacuteneacuteral tregraves eacuteleveacute (f T = 250 MHz pour le 2N2222) nrsquoest pas dutout une freacutequence maximale de fonctionnement Tout drsquoabord lafreacutequence de transition se deacutefinit en reacutegime sinusoiumldal et ne srsquoappli-que pas directement aux signaux reacuteels qui contiennent des harmo-niques (composantes sinusoiumldales de freacutequences multiples de celledu signal) De plus f T est la freacutequence pour laquelle β est eacutegal agrave 1crsquoest-agrave-dire que le transistor ne sert alors plus agrave rien Un paramegravetreplus significatif est la freacutequence de coupure f β du transistor crsquoestla freacutequence agrave laquelle β vaut 07 fois sa valeur en continu (ce quicorrespond agrave un affaiblissement de 3 dB) f β est relieacutee agrave f T par laformule
VCE( ) max 30 V=
IC( ) max 08 V=
P max 05 W=
f ββ f T=
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CHAPITRE 5 - TRANSISTORS 109
Par exemple la valeur maximale de β pour un transistor 2N2222est 300 La freacutequence de coupure est alors dans le cas le plusdeacutefavorable
Bien que le gain ait diminueacute le transistor reste utilisable au-delagrave dela freacutequence de coupure En effet dans beaucoup de montages ilfaut simplement que β soit supeacuterieur agrave un minimum fixeacute sa valeurexacte nrsquoeacutetant pas importante Crsquoest pour cela que β nrsquoest pas unparamegravetre deacuteterminant dans le choix drsquoun composant Les disper-sions sur ce gain sont en geacuteneacuteral tregraves eacuteleveacutees et les constructeurs nedonnent qursquoun minimum et un maximumPar exemple pour le 2N2222 β est compris entre 100 et 300 Cesont des ordres de grandeur freacutequents pour les petits transistorsToutefois il faut avoir agrave lrsquoesprit que les transistors de plus fortespuissances ont des gains plus faibles
BoicirctiersLes transistors sont preacutesenteacutes dans des boicirctiers tregraves divers Pour lespetites puissances on rencontre des boicirctiers en plastique (TO-92)ou en meacutetal (TO-18 TO-39hellip) Les transistors de plus fortes puis-sances utilisent souvent des gros boicirctiers meacutetalliques (TO-3) ouplutocirct pour les composants plus reacutecents des boicirctiers en plastiqueavec un petit dissipateur meacutetallique (TO-220)
f β250300--------- 083 MHz= =
Figure 514 ndash Brochage du transistor 2N2222 (vue de dessous)
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES110
Les brochages sont donneacutes en vue de dessous (contrairement auxcircuits inteacutegreacutes) Prenons comme exemple 2N2222 en boicirctier TO-18(figure 514) Lrsquoergot permet de repeacuterer lrsquoeacutemetteur Le collecteur estrelieacute eacutelectriquement au boicirctier
53 Domaines drsquoutilisationLe transistor peut remplir de multiples fonctions dans tous les domai-nes de lrsquoeacutelectronique Toutefois lrsquoavegravenement des circuits inteacutegreacutes aconsideacuterablement diminueacute le rocircle des transistors discrets en permet-tant de simplifier la conception des montages Certaines applicationsrestent cependant du ressort des transistors la puissance les hautesfreacutequences et la Hi-Fi On rencontre eacutegalement quelques transistorsdans les montages agrave circuits inteacutegreacutes ils remplissent des fonctionsdrsquoadaptation de niveaux de tension ou de courantLe rocircle premier du transistor est lrsquoamplification Un eacutetage amplifica-teur en eacutemetteur commun a eacuteteacute vu au chapitre 1 Ce montage nrsquoestpas utiliseacute seul car ses performances sont meacutediocres Il est associeacute agravedrsquoautres eacutetages pour former une chaicircne drsquoamplification Chaqueeacutetage a un rocircle particulier les eacutetages drsquoentreacutee (preacuteamplificateurs)permettent drsquoobtenir une grande impeacutedance drsquoentreacutee pour ne pasperturber la source de signal (on y utilise notamment des TEC) leseacutetages intermeacutediaires fournissent le gain en tension neacutecessaire et leseacutetages de sortie amegravenent une amplification du courant afin que lapuissance soit suffisante pour la charge Les performances de lrsquoensem-ble sont ameacutelioreacutees par une contre-reacuteaction (boucle de retour rame-nant une fraction du signal de sortie agrave lrsquoentreacutee) Cette structure estcelle des amplificateurs utiliseacutes dans le domaine audio Hormis cetype drsquoapplication les amplificateurs pour signaux de basses freacutequen-ces sont inteacutegreacutes En effet lrsquoamplificateur opeacuterationnel permet dereacutealiser de tels montages avec une grande simpliciteacute Seul lrsquoeacutetage desortie sera eacuteventuellement en composants discrets La structure laplus utiliseacutee en basses freacutequences est le montage compleacutementaire enclasse B (figure 515)
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CHAPITRE 5 - TRANSISTORS 111
Un transistor NPN conduit lorsque la tension drsquoentreacutee est positivetandis qursquoun transistor PNP entre en action quand la tensiondrsquoentreacutee est neacutegative Les deux diodes servent agrave compenser le seuil de06 V des transistors afin drsquoeacuteviter une distorsion de la tension desortie Les transistors sont en geacuteneacuteral monteacutes sur un dissipateur (aussiappeleacute radiateur) crsquoest une plaque meacutetallique de forme particuliegravere(elle preacutesente souvent des ailettes) qui permet drsquoameacuteliorer lrsquoeacutevacua-tion de la chaleur vers lrsquoexteacuterieur
Dans le domaine des radiofreacutequences on trouve des amplificateursseacutelectifs qui utilisent des circuits reacutesonnants (bobine et condensa-teur) Les eacutetages de puissance polariseacutes en classe C (transistor passantpendant une bregraveve dureacutee dans une peacuteriode) avec une charge seacutelec-tive permettent drsquoobtenir un meilleur rendement que les monta-ges fonctionnant en classe B Un exemple a deacutejagrave eacuteteacute rencontreacute auchapitre 3
Les transistors sont eacutegalement utiliseacutes en commutation (figure 516)
Figure 515 ndash Amplificateur de puissance en classe B
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES112
La charge agrave alimenter est la reacutesistance RC Le transistor se comportecomme un circuit ouvert lorsqursquoil est bloqueacute et crsquoest pratiquementun court-circuit quand il est satureacute Il reacutealise ainsi un interrupteur(figure 517)
Pour avoir le reacutesultat souhaiteacute il faut commander correctement letransistor Pour bloquer le composant il faut appliquer sur sa baseune tension neacutegative (ou tout au moins infeacuterieure au seuil 05 agrave06 V) Pour obtenir la saturation il faut que la tension appliqueacutee sur
Figure 516 ndash Transistor en commutation
Figure 517 ndash Pour la charge le transistor se comporte comme un interrupteur
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CHAPITRE 5 - TRANSISTORS 113
base par lrsquointermeacutediaire de la reacutesistance RB soit supeacuterieure au seuil etque le courant soit plus grand que
ICsat est la valeur du courant de collecteur que lrsquoon obtient si le tran-sistor est bien satureacute (VCE asymp 0) Ici on a
La valeur minimale du courant de base donne une valeur maximalede la reacutesistance RB si le niveau drsquoentreacutee est fixeacute agrave V
Prenons par exemple une charge RC = 1 kΩ alimenteacutee par unetension E = 10 V Les niveaux du signal de commande sont 0 et5 V Veacuterifions que le transistor fonctionne bien en commutationAgrave lrsquoeacutetat bas (0) de la tension drsquoentreacutee le transistor est bloqueacute Pourlrsquoeacutetat haut (5 V) il faut voir si le courant de base est suffisant pourassurer la saturation Le courant de collecteur est
Pour le transistor 2N2222 le constructeur donne pour β une four-chette de 100 agrave 300 Pour que le reacutesultat soit valable quel que soitlrsquoeacutechantillon utiliseacute il faut se placer dans le cas le plus deacutefavorablequi puisse ecirctre atteint Le transistor est drsquoautant plus difficile agrave satu-rer que la valeur minimale de IB est eacuteleveacutee et donc que β est faibleOn lit donc dans la notice du composant le minimum βmin = 100On calcule alors
Pour tenir compte du fait que le calcul est approcheacute et pour obtenirune saturation franche on choisit une marge de seacutecuriteacute importante
IB minICsat
β-------------=
ICsatE
RC--------=
RB maxV VBEndash
IB min------------------- avec VBE 06 Vasymp=
ICsat101
------ 10 mA= =
IB min10
100--------- 01 mA= =
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES114
Il est drsquousage de multiplier la valeur minimale de IB par un nombreappeleacute coefficient de saturation Sa valeur est choisie en fonction desordres de grandeurs on prend souvent 10 ou 20 pour les petits tran-sistors alors qursquoon se contente de 2 ou 3 pour un circuit de forte puis-sance Avec un facteur 10 le courant de base vaut ici
On en deacuteduit la valeur de la reacutesistance RB
On prend la valeur immeacutediatement infeacuterieure dans la seacuterie norma-liseacutee E12 soit 39 kΩOn constate que le montage remplit deux fonctions Drsquoune part ilmodifie les niveaux de tension (0 et 5 V pour la commande 0 et10 V pour la charge) Drsquoautre part il amplifie le courant oncommande ici 10 mA par moins de 1 mA Les transistors encommutation sont utiliseacutes pour lrsquoune de ces fonctions ou pour lesdeux simultaneacutement Il est important de bien respecter la conditionde saturation En effet un transistor fonctionnant en commutationdissipe beaucoup moins de puissance qursquoun eacuteleacutement fonctionnanten amplification Un composant correctement dimensionneacute pourun fonctionnement preacutevu en commutation risque drsquoecirctre deacutetruit pareacutechauffement excessif srsquoil est seulement conducteur au lieu drsquoecirctresatureacuteLes paramegravetres qui limitent la rapiditeacute des basculements sont lesdureacutees de commutation (temps de descente et de monteacutee) Pourameacuteliorer la rapiditeacute on utilise parfois un condensateur drsquoacceacuteleacutera-tion placeacute en parallegravele sur la reacutesistance RB (figure 518)Au moment des commutations le condensateur fournit un pic decourant qui a un effet acceacuteleacuterateurLorsque les signaux de commande sont bipolaires (un niveau positifet un niveau neacutegatif ) il faut faire attention agrave respecter la valeurmaximale autoriseacutee pour la tension inverse entre base et eacutemetteur(de lrsquoordre de 5 agrave 6 V pour les transistors courants) Lorsque le
IB 10 01times 01 mA= =
RB 5 06ndash
1---------------- 44 kΩ= =
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CHAPITRE 5 - TRANSISTORS 115
niveau neacutegatif de la commande deacutepasse cette limite il faut ajouterune diode pour proteacuteger le transistor (figure 519)Lorsque la tension drsquoentreacutee est agrave 10 V la diode est bloqueacutee et sapreacutesence ne change rien Par contre lorsque la tension vaut ndash 10 Vla diode est passante et elle fixe la tension VBE agrave environ ndash 06 V cequi permet de bloquer le transistor en respectant la tension maxi-
Figure 518 ndash Condensateur drsquoacceacuteleacuteration
Figure 519 ndash Diode de protection
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES116
male autoriseacutee en inverse entre base et eacutemetteur Drsquoautres configu-rations peuvent ecirctre rencontreacutees lrsquoeacuteleacutement de protection eacutetanttoujours une diodeLa charge du transistor en commutation nrsquoest pas toujours reacutesistiveOn a deacutejagrave rencontreacute deux cas de charges plus complexes mais agravecomportement inductif le transformateur drsquoimpulsions et le relaisOn a vu que pour ce type de charges il est neacutecessaire drsquoajouter unediode de roue libre pour assurer lrsquoeacutevacuation de lrsquoeacutenergie eacutelectroma-gneacutetique au moment du blocage du transistorLe transistor MOS est tregraves inteacuteressant pour un fonctionnement encommutation En effet aucun courant nrsquoest neacutecessaire pour com-mander ce composant sauf au moment des commutations ce qui estun avantage certain par rapport au transistor bipolaire en particulierpour des charges qui consomment un courant important Prenonslrsquoexemple de la figure 520
Il srsquoagit de commander une charge de 100 Ω brancheacutee sous 10 V agravelrsquoaide drsquoun circuit logique CMOS Le courant neacutecessaire de100 mA ne peut pas ecirctre fourni par le circuit inteacutegreacute On utilise un
Figure 520 ndash Transistor MOS associeacute agrave un circuit CMOS
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CHAPITRE 5 - TRANSISTORS 117
transistor MOS canal N Le branchement est tregraves simple il suffitde relier la grille du transistor agrave la sortie de lrsquoinverseur Lorsque cettesortie est agrave lrsquoeacutetat bas (0) le transistor MOS est bloqueacute tandis quequand la sortie est agrave lrsquoeacutetat haut (10 V) le transistor est conducteuret se comporte entre drain et source comme une faible reacutesistanceLe circuit inteacutegreacute ne fournit aucun courant pendant les eacutetats stablesSeul un pic de courant est neacutecessaire agrave chaque commutation Icilrsquoalimentation est commune au circuit logique et au transistor maison peut aussi employer des alimentations seacutepareacuteesBeaucoup drsquoautres fonctions peuvent ecirctre reacutealiseacutees avec des transis-tors On a par exemple rencontreacute un oscillateur Colpitts auchapitre 3 Il srsquoagit drsquoun montage fournissant une tension sinusoiuml-dale de haute freacutequence Dans ce domaine on utilise des condensa-teurs et des bobines pour reacutealiser le filtre et un transistor pourlrsquoamplificateur Par contre aux basses freacutequences les oscillateurssont diffeacuterents On nrsquoemploie plus de bobinages qui sont alorsencombrants les filtres sont composeacutes de reacutesistances et de conden-sateurs Lrsquoeacuteleacutement actif est alors rarement un transistor car lrsquoampli-ficateur opeacuterationnel est beaucoup plus simple agrave utiliser la limiteprincipale de ce composant eacutetant sa relative lenteur
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Le thyristor et le triac sont des composants qui permettent decommander des puissances relativement importantes avec peu depertes car ils ne fonctionnent qursquoen commutation Ce sont plusspeacutecifiquement des composants de lrsquoeacutelectronique de puissance maison les trouve aussi en eacutelectronique de faible puissance pour quel-ques applications speacutecifiques
61 Principe et proprieacuteteacutes
Thyristors
Le thyristor est apparu en 1957 Le mot a eacuteteacute formeacute agrave partir de
thyratron
(triode agrave gaz qui jouait autrefois un rocircle analogue) et de
transistor
Crsquoest un redresseur commandeacute au silicium comme lrsquoindi-que son appellation anglo-saxonne SCR (
Silicon controlled rectifier
)
Constitution
Figure 61 ndash Constitution de principe drsquoun thyristor
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COMPOSANTS
EacuteLECTRONIQUES
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Le thyristor est formeacute drsquoun mateacuteriau semi-conducteur sur lequel ona creacuteeacute trois jonctions il y a ainsi deux zones N et deux zones P(
figure 61
) Trois bornes sont accessibles lrsquoanode (A) la cathode (K)et la gacircchette (G)
Symbole
On repreacutesente le thyristor par son symbole normaliseacute (
figure 62
) oupar une de ses variantes (
figure 63
)
Principe
Le thyristor se comporte comme une diode dont on commande lamise en conduction Le symbole du thyristor ressemble drsquoailleursbeaucoup agrave celui drsquoune diode On y retrouve lrsquoanode et la cathodemais une troisiegraveme borne apparaicirct la gacircchette Crsquoest elle qui permetla commande du composant Pour que le thyristor devienne passantil faut non seulement le polariser en direct comme une diode mais
Figure 62 ndash Symbole normaliseacute drsquoun thyristor
Figure 63 ndash Variantes du symbole drsquoun thyristor
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aussi lui appliquer un courant adeacutequat entrant dans la gacircchetteUne fois le thyristor amorceacute (crsquoest-agrave-dire devenu passant) il estinutile de maintenir la preacutesence du courant de gacircchette Crsquoest laraison pour laquelle la plupart du temps la commande se fait parune impulsion de courant Cette derniegravere doit neacuteanmoins respectercertaines conditions minimum de hauteur minimum de dureacuteeLe blocage se fait comme celui drsquoune diode il nrsquoest pas commandeacutepar la gacircchette
Triacs
Le triac (
triode alternating current
) est apparu en 1964 Crsquoest uncomposant devenant passant pour les deux alternances drsquoun courantalternatif avec une seule eacutelectrode de commande
Constitution
Dans le principe un triac est en quelque sorte un assemblage dedeux thyristors (
figure 64
) Trois bornes sont accessibles deuxbornes principales B
1
et B
2
(appeleacutees souvent MT
1
et MT
2
par lesAnglo-saxons MT pour
Main terminal
) et la gacircchette (G)
Symbole
On repreacutesente le triac par son symbole normaliseacute (
figure 65
) ou parune variante (
figure 66
)
Figure 64 ndash Constitution de principe drsquoun triac
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EacuteLECTRONIQUES
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Principe
Un triac se comporte de maniegravere approximative comme une asso-ciation de deux thyristors monteacutes en parallegravele en sens contraire(tecircte-becircche) mais avec gacircchette commune Crsquoest donc un compo-sant bidirectionnel le courant peut le traverser indiffeacuteremmentdans un sens ou lrsquoautrePour deacuteclencher un triac le sens du courant de gacircchette nrsquoest pasobligatoirement imposeacute il y a quatre possibiliteacutes diffeacuterentes maisseules deux drsquoentre elles sont utiliseacutees en pratique (
figure 67
)
Figure 65 ndash Symbole normaliseacute drsquoun triac
Figure 66 ndash Variante du symbole drsquoun triac
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Figure 67 ndash Diverses possibiliteacutes pour lrsquoamorccedilage drsquoun triac courant entrant dans la gacircchette (en trait plein)
par rapport au courant principal de B2 vers B1 (en tirets)
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COMPOSANTS
EacuteLECTRONIQUES
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62 Caracteacuteristiques technologiques
Critegraveres de choix
Les principaux critegraveres de choix drsquoun thyristor ou drsquoun triac sonttout drsquoabord ses limites absolues principalement la tension maxi-male agrave lrsquoeacutetat bloqueacute et le courant maximal agrave lrsquoeacutetat passant Lecourant de gacircchette minimal pour assurer lrsquoamorccedilage agrave coup sucircr estaussi agrave consideacuterer
Boicirctiers
Les petits thyristors ou triacs sont disponibles dans des boicirctiersidentiques agrave ceux des transistors
63 Domaines drsquoutilisation
Avertissement important
Certains des dispositifs deacutecrits sont directement brancheacutes sur lereacuteseau 230 V De ce fait le montage entier se trouve relieacute agrave la prisede courant Pour expeacuterimenter de tels circuits il est absolumentindispensable de prendre toutes les preacutecautions neacutecessaires du faitdes tensions eacuteleveacutees et dangereuses qui sont ainsi preacutesentes entrecertains points du montage et surtout entre le montage entier et laterre
Montages agrave thyristors
Le thyristor peut servir drsquointerrupteur commandeacute agrave la fermeturedans des circuits fonctionnant en continu avec des tensions eacuteleveacuteesCrsquoest souvent le cas pour deacutecharger un condensateur Deux exemplesclassiques le deacuteclenchement drsquoun flash eacutelectronique et le circuitdrsquoallumage eacutelectronique drsquoune voitureLrsquoapplication courante du thyristor en eacutelectronique de puissance estle redressement commandeacute Pour un redresseur monophaseacute il suffitde remplacer la diode par un thyristor muni de son circuit de
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deacuteclenchement synchroniseacute sur la source de tension alternative(
figure 68
) La tension aux bornes de la charge est alors deacutecoupeacutee(
figure 69
) et sa valeur moyenne peut ecirctre reacutegleacutee en jouant sur leretard agrave lrsquoamorccedilage du thyristor
Figure 68 ndash Redresseur commandeacute
Figure 69 ndash Allure des tensions dans un redresseur commandeacute
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COMPOSANTS
EacuteLECTRONIQUES
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Montages agrave triacs
Lrsquoapplication classique du triac est le gradateur ou variateur quipermet de reacutegler la puissance fournie agrave une charge lampe petitmoteur Le circuit le plus simple est celui du variateur de lumiegravere(
figure 610
) il permet de modifier lrsquointensiteacute lumineuse drsquoune
Figure 610 ndash Variateur de lumiegravere
Figure 611 ndash Allure des tensions dans un variateur agrave triac
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lampe par action sur le potentiomegravetre La tension aux bornes de lalampe est deacutecoupeacutee (
figure 611
) et sa valeur efficace peut ecirctre reacutegleacuteeen agissant sur le retard agrave lrsquoamorccedilage du triac Le montage fait appa-raicirctre un composant particulier le diac dont crsquoest drsquoailleurs lrsquouniqueusage Le condensateur se charge et lorsque la tension est suffisantele diac laisse passer brutalement le courant et amorce le triac Lrsquoimpul-sion obtenue a mecircme polariteacute que la tension du secteurCe circuit eacuteleacutementaire (mais eacuteconomique) a des performances meacutediocreset son fonctionnement est incertain sur charge inductive Il existepour le remplacer avantageusement un certain nombre de circuitsinteacutegreacutes speacutecialiseacutes Un exemple tregraves reacutepandu est le TCA 785 de
Infi-neon
(
figure 612
)
Figure 612 ndash Gradateur agrave triac commandeacute par un circuit inteacutegreacute TCA 785
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EacuteLECTRONIQUES
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Ces dispositifs ougrave le reacuteglage se fait par lrsquointermeacutediaire du retard agravelrsquoamorccedilage du triac sont appeleacutes laquo agrave commande de phase raquo Ilspreacutesentent lrsquoinconveacutenient de geacuteneacuterer des parasites importants agravecause des fronts raides qui apparaissent sur la tension On entendparfois ces signaux gecircnants sur un reacutecepteur radio placeacute agrave proximiteacutedrsquoun variateur comme celui drsquoun moteur de perceuseIl est possible drsquoeacuteviter de creacuteer des parasites en effectuant lescommutations lorsque la tension est nulle Pour les charges preacutesen-tant une forte inertie comme les reacutesistances de chauffage il nrsquoestpas neacutecessaire de deacutecouper la tension agrave chaque peacuteriode du secteurIl est alors preacutefeacuterable de laisser passer plusieurs peacuteriodes du secteurpuis de bloquer plusieurs autres peacuteriodes la commande est appeleacuteelaquo par ondes entiegraveres raquo La tension aux bornes de la charge est cons-titueacutee de rafales de sinusoiumldes (
figure 613
) La puissance est reacutegleacuteepar lrsquoimportance relative des deux phases
La commande est habituellement assureacutee par un circuit inteacutegreacute speacutecia-liseacute Par exemple le circuit CA3059 permet de reacutealiser facilement lareacutegulation drsquoun four eacutelectrique (
figure 614
) La tempeacuterature est deacutetec-teacutee agrave lrsquoaide drsquoune thermistance CTN (coefficient de tempeacuterature neacutega-tif ) crsquoest un composant dont la reacutesistance diminue quand latempeacuterature augmente selon une loi de variation deacutetermineacuteeNous avons signaleacute plus haut le danger que preacutesente le fait drsquoavoirun circuit relieacute directement au secteur Une solution inteacuteressantepour assurer lrsquoisolement de la commande par rapport au secteur estlrsquooptocoupleur Crsquoest lrsquoassociation dans un boicirctier opaque drsquounediode eacutemettrice drsquoinfrarouge et drsquoun composant sensible au rayon-
Figure 613 ndash Tension obtenue avec une commande par ondes entiegraveres
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nement Ce dernier peut ecirctre un optotriac On peut ainsi commu-ter une charge brancheacutee sur le secteur avec un isolement total(
figure 615
) Lorsque lrsquointerrupteur K est fermeacute la lampe est allu-meacutee tandis que lorsque K est ouvert la lampe est eacuteteinte
Figure 614 ndash Commande de reacutesistance chauffante par un circuit inteacutegreacute CA3059
Figure 615 ndash Commande drsquoune lampe brancheacutee sur le secteur par optocoupleur
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On se propose dans ce chapitre drsquoeacutetudier les caracteacuteristiques et lesapplications des circuits inteacutegreacutes analogiques les plus courants
71 Geacuteneacuteraliteacutes
Un circuit inteacutegreacute contient un grand nombre de composants placeacutessur la mecircme pastille de silicium (une laquo puce raquo) En geacuteneacuteral lrsquoutilisa-teur nrsquoa pas besoin de connaicirctre le scheacutema interne du circuit maisdoit seulement tenir compte de quelques caracteacuteristiques externes Laconception drsquoun montage agrave circuits inteacutegreacutes est souvent beaucoupplus facile que celle drsquoun montage agrave composants discrets De plus lamise au point est nettement plus reacuteduite et le deacutepannage est simplifieacutecar dans de nombreux cas seules les valeurs de quelques composantspassifs (reacutesistances et condensateurs) fixent les caracteacuteristiques dumontageDans les circuits analogiques les informations sont porteacutees par lesvaleurs instantaneacutees des tensions et des courants La faccedilon deraisonner est diffeacuterente de celle qui est employeacutee pour les circuitslogiques qui seront eacutetudieacutes au chapitre suivantLes circuits inteacutegreacutes peuvent ecirctre preacutesenteacutes dans diffeacuterents types deboicirctiers Pour les applications professionnelles on rencontre desboicirctiers ceacuteramique ou parfois des boicirctiers meacutetalliques ronds quiressemblent agrave ceux qui sont utiliseacutes pour les transistors Cependantde nombreux circuits inteacutegreacutes courants sont preacutesenteacutes dans desboicirctiers en plastique Les connections externes sont disposeacutees en deux
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rangeacutees de chaque cocircteacute du boicirctier Crsquoest pour cela que lrsquoon deacutesignesouvent ces modegraveles par DIL (
dual in line
) Les types les plus reacutepan-dus ont 8 ou 14 broches (que lrsquoon appelle familiegraverement laquo pattes raquo)Les repreacutesentations des circuits inteacutegreacutes sont toujours en vue dedessus contrairement agrave la convention utiliseacutee pour les transistors Lesens dans lequel il faut placer le composant est indiqueacute par un pointen relief ou une encoche (
figure 71
)
La numeacuterotation de bornes est toujours celle qui est donneacutee sur lafigure Les notices des constructeurs preacutecisent sur un dessin (ouparfois avec les numeacuteros) les rocircles respectifs des diffeacuterentes con-nexions crsquoest le brochage du circuitLes composants les plus courants sont fabriqueacutes par presque tous lesconstructeurs Par contre certains circuits plus particuliers ne se trou-vent que dans le catalogue drsquoun constructeur (ou plutocirct de deux pourassurer une laquo seconde source raquo) On peut connaicirctre le fabricant drsquouncircuit inteacutegreacute soit par certains symboles graphiques qui sont parfoisdessineacutes sur les boicirctiers soit par la reacutefeacuterence du composant Chaqueconstructeur emploie son propre systegraveme pour numeacuteroter ses diffeacute-rents produits Cependant un certain nombre de conventions seretrouvent partout Une reacutefeacuterence est en geacuteneacuteral composeacutee drsquoungroupe de lettres qui indique le genre de circuit chez un fabricantdonneacute drsquoun numeacutero qui deacutesigne le composant et drsquoune ou plusieurs
Figure 71 ndash Numeacuterotation pour un boicirctier DIL 8 ou 14 broches
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lettres qui indiquent la gamme de tempeacuterature et le boicirctier Par exem-ple un circuit est numeacuteroteacute LM741CN Le preacutefixe indique qursquoilsrsquoagit drsquoun circuit analogique du constructeur
National Semiconduc-tor
741 est le numeacutero qui correspond agrave un amplificateur opeacuteration-nel C preacutecise que la gamme de tempeacuterature est 0-70 ˚C et N indiqueque le composant est en boicirctier DIL Le preacutefixe nrsquoest pas une indica-tion formelle du constructeur car certains conservent celui qui corres-pond au concepteur agrave lrsquoorigine du composant Quelques preacutefixescorrespondant agrave des circuits inteacutegreacutes analogiques sont donneacutes dans le
tableau 71
Les gammes de tempeacuterature possibles sont la gamme commerciale(0 70 ˚C) la gamme industrielle (ndash 25 ˚C 85 ˚C) et la gamme mili-taire (ndash 55 ˚C 125 ˚C) Tous les composants ne sont pas disponibles
Tableau 71 ndash Preacutefixes utiliseacutes par diffeacuterents constructeurs
Preacutefixe Constructeur
AD OP Analog Devices
CA HA ICL Intersil
KA KF RC Fairchild
L TDA STMicroelectronics
LF LM National Semiconductor
LT LTC Linear Technology
MAX Maxim
MC Motorola
NE Philips Semiconductors
TL TLC Texas Instruments
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dans toutes les gammes de tempeacuterature Certains constructeursnrsquoutilisent pas un suffixe pour indiquer la gamme de tempeacuteraturemais modifient le preacutefixe ou le numeacutero Lrsquoindication de la nature duboicirctier par la derniegravere lettre du suffixe deacutepend eacutegalement du cons-tructeur Dans la pratique on deacutesigne les circuits courants par leursimple numeacutero Un 741 peut ecirctre choisi chez nrsquoimporte quel fabri-cant ses performances seront identiques bien que la reacutefeacuterence exactepuisse ecirctre diffeacuterente KA741 MC1741 ou LM741 correspondentau mecircme circuit inteacutegreacute Sans preacutecision suppleacutementaire la gamme detempeacuterature est commerciale et le boicirctier est DIL en plastique
72 Amplificateur opeacuterationnel
Crsquoest de loin le circuit inteacutegreacute analogique le plus reacutepandu Sonemploi est particuliegraverement simple et son coucirct est minime Crsquoest uncircuit pratiquement universel que lrsquoon peut utiliser dans de nom-breuses applications en remplacement de montages agrave plusieurstransistorsOn le repreacutesente par son symbole normaliseacute (
figure 72
) ou par unancien scheacutema encore souvent utiliseacute (
figure 73
)
Le composant possegravede deux entreacutees noteacutees + et ndash et une sortie Pourfonctionner le circuit inteacutegreacute doit ecirctre alimenteacute crsquoest-agrave-dire relieacute agrave
Figure 72 ndash Symbole normaliseacute drsquoun amplificateur opeacuterationnel
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ANALOGIQUES
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un ou deux geacuteneacuterateurs de tension continue afin de polariser cor-rectement les composants internes et de fournir lrsquoeacutenergie neacutecessaireLe plus souvent lrsquoamplificateur opeacuterationnel est employeacute avec unealimentation double symeacutetrique (
figure 74
)
Sur certains modegraveles il existe des bornes preacutevues pour la compen-sation du deacutecalage on y connecte un potentiomegravetre qui sera reacutegleacutepour annuler la tension de sortie lorsque lrsquoentreacutee est court-circuiteacuteeLe branchement pour un amplificateur opeacuterationnel du type 741 aeacuteteacute indiqueacute au chapitre 1 Ce potentiomegravetre nrsquoest pas toujoursneacutecessaire et les bornes correspondantes peuvent ecirctre laisseacutees en lrsquoairsi lrsquoon nrsquoutilise pas ce reacuteglageLes courants dans les entreacutees du circuit sont tregraves faibles On admetpour les calculs qursquoils sont nuls
Figure 73 ndash Symbole courant drsquoun amplificateur opeacuterationnel
Figure 74 ndash Alimentation drsquoun amplificateur opeacuterationnel
i+ i ndash 0= =
C
ONNAIcircTRE
LES
COMPOSANTS
EacuteLECTRONIQUES
136
Lrsquoamplificateur opeacuterationnel peut aussi bien fonctionner en reacutegimelineacuteaire (amplificateurs filtreshellip) qursquoen reacutegime de commutation(comparateurs triggers astableshellip) Pour obtenir un reacutegime lineacuteaireil faut que le montage possegravede une contre-reacuteaction crsquoest-agrave-dire uneliaison entre la sortie et lrsquoentreacutee ndash de lrsquoamplificateur opeacuterationnelLe fonctionnement est par contre en commutation si le montagepossegravede une reacuteaction positive crsquoest-agrave-dire une liaison entre la sortieet lrsquoentreacutee + de lrsquoamplificateur opeacuterationnel ou si le composant esten boucle ouverte (ni reacuteaction ni contre-reacuteaction)Pour le reacutegime lineacuteaire les tensions preacutesentes sur les deux entreacutees delrsquoamplificateur opeacuterationnel sont pratiquement eacutegales et on eacutecritpour les calculs
En commutation la tension de sortie ne peut prendre que deuxvaleurs sensiblement symeacutetriques ndash
U
et
U
qui sont les tensions desaturation La valeur de
U
est leacutegegraverement infeacuterieure agrave la tensiondrsquoalimentation du circuit inteacutegreacute on peut par exemple obtenir
U
= 14 V pour une alimentation de 15 V La sortie est au niveau haut(
U
) si
v
+
est supeacuterieur agrave
v
ndash
et au niveau bas dans le cas contraireOn reacutealise facilement un amplificateur de tension avec un amplifi-cateur opeacuterationnel et deux reacutesistances (
figure 75
)Lrsquoentreacutee se fait directement sur la borne + de lrsquoamplificateuropeacuterationnel
Les reacutesistances R
1
et R
2
forment un diviseur de tension alimenteacutepar la sortie de lrsquoamplificateur opeacuterationnel Ce diviseur nrsquoest paschargeacute puisque
i
ndash = 0 et on peut eacutecrire
Comme le montage est en fonctionnement lineacuteaire gracircce agrave lacontre-reacuteaction effectueacutee par
R
2
on a
v+ v ndash=
v+ vE =
v ndashR1
R1 R2+------------------vS
=
vE R1
R1 R2+------------------vS
=
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C
HAPITRE
7 - C
IRCUITS
INTEacuteGREacuteS
ANALOGIQUES
137
soit
Lrsquoamplification du montage est donc
Avec les valeurs numeacuteriques du scheacutema on obtient
Ainsi si lrsquoon applique agrave lrsquoentreacutee du montage une tension sinusoiuml-dale on trouve agrave la sortie un signal de mecircme forme mais drsquoampli-tude 11 fois plus grande (
figure 76
)
Figure 75 ndash Amplificateur de tension
vS 1R2
R1------+
vE
=
A 1R2
R1------+=
A 1 10010
---------+ 11= =
C
ONNAIcircTRE
LES
COMPOSANTS
EacuteLECTRONIQUES
138
Le scheacutema drsquoune bascule agrave hysteacutereacutesis (ou trigger de Schmitt)ressemble beaucoup agrave celui drsquoun amplificateur La seule diffeacuterenceavec le circuit preacuteceacutedent est que les bornes + et ndash de lrsquoamplificateuropeacuterationnel ont eacuteteacute inverseacutees (
figure 77
)En fait cela change tout au fonctionnement du montage car lareacuteaction effectueacutee par la reacutesistance R
2
entraicircne un reacutegime decommutation La sortie ne peut prendre que les valeurs ndash
U
et
U
La tension sur lrsquoentreacutee + ne peut donc ecirctre eacutegale qursquoaux valeurs
et
La tension de sortie passe drsquoun niveau agrave lrsquoautre lorsque
v
E
=
v
ndash
atteint la valeur de
v
+
Les seuils de basculement sont donc diffeacute-rents selon que la sortie est agrave lrsquoeacutetat haut ou bas ce sont les tensionsndash
V0 et V0 (figure 78)Ce pheacutenomegravene est appeleacute hysteacutereacutesis Avec les valeurs numeacuteriquesdu scheacutema les seuils valent
Figure 76 ndash Allure de la tension de sortie de lrsquoamplificateur pour une entreacutee sinusoiumldale drsquoamplitude 05 V et de freacutequence 1 kHz
V0 ndash R1
R1 R2+------------------ndash U
= V0
R1
R1 R2+------------------U
=
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CHAPITRE 7 - CIRCUITS INTEacuteGREacuteS ANALOGIQUES 139
Avec un amplificateur opeacuterationnel en boucle ouverte on reacutealise undeacutetecteur de passage agrave zeacutero (figure 79)Le fonctionnement est en commutation et la sortie ne peut prendreque les valeurs ndash U et U Lrsquoentreacutee ndash eacutetant agrave la masse les bascule-ments se produisent lorsque la tension drsquoentreacutee ve appliqueacutee direc-tement sur lrsquoentreacutee + passe par 0 (figure 710)Ce montage est un cas particulier du comparateur dont unereacutealisation plus eacutelaboreacutee a eacuteteacute vue au chapitre 4Les trois exemples qui viennent drsquoecirctre eacutetudieacutes illustrent les diffeacute-rents types de fonctionnement drsquoun amplificateur opeacuterationnel Lesapplications de ce composant sont tregraves nombreuses et le sujet nrsquoa eacuteteacuteici qursquoeffleureacute
Figure 77 ndash Bascule agrave hysteacutereacutesis
V0plusmn 10
10 100+---------------------plusmn 14 127 Vplusmn=times=
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES140
Figure 78 ndash Allure de la tension de sortie de la bascule agrave hysteacutereacutesis pour une entreacutee triangulaire drsquoamplitude 25 V
et de freacutequence 100 Hz
Figure 79 ndash Deacutetecteur de passage agrave zeacutero
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CHAPITRE 7 - CIRCUITS INTEacuteGREacuteS ANALOGIQUES 141
73 Reacutegulateur de tensionCe circuit inteacutegreacute plus speacutecialiseacute que le preacuteceacutedent est neacuteanmoins tregravesreacutepandu puisqursquoil est utiliseacute dans la plupart des alimentations eacutelectro-niques Son emploi est en effet tregraves simple et son coucirct est minimeLe principe drsquoune alimentation continue stabiliseacutee a eacuteteacute vu preacuteceacute-demment isolement et abaissement de la tension par transforma-teur redressement par diodes filtrage par condensateur et stabilisa-tion par diode Zener Cette reacutealisation ne peut cependant fournirqursquoun courant relativement faible Degraves que le deacutebit excegravede quelquesdizaines de milliampegraveres on fait appel agrave un reacutegulateur inteacutegreacute enremplacement du stabilisateur agrave diode Zener On obtient ainsi unetension continue bien stable pour une large plage de courant desortie Les modegraveles de reacutegulateurs les plus connus forment laseacuterie 78XX (XX indique la valeur de la tension de sortie) Ces
Figure 710 ndash Allure de la tension de sortie du deacutetecteur de passage agrave zeacutero pour une entreacutee triangulaire drsquoamplitude 25 V
et de freacutequence 100 Hz
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES142
composants peuvent fournir plus drsquoun ampegravere Ils se preacutesentent enboicirctier plastique TO-220 et seront eacuteventuellement munis drsquoun dissi-pateur thermique pour les deacutebits eacuteleveacutes On trouve courammenttoutes les valeurs de tensions habituellement utiliseacutees 5 9 1215 Vhellip Le circuit ne comporte que trois bornes lrsquoentreacutee la sortie etla masse Prenons comme exemple une alimentation reacuteguleacutee de 9 Vqui utilise un reacutegulateur inteacutegreacute 7809 (figure 711)
Les condensateurs C1 et C2 ne sont pas indispensables C1 nrsquoestneacutecessaire que si le circuit inteacutegreacute se trouve agrave une distance appreacuteciabledu condensateur de filtrage et C2 ameacuteliore la reacuteponse transitoire ducircuitIl existe eacutegalement des reacutegulateurs pour tensions neacutegatives commela seacuterie 79XX Leur branchement est similaire mais dans ce cas lecondensateur C2 est indispensable pour la stabiliteacute du systegraveme Lavaleur de capaciteacute est preacuteciseacutee par le constructeur 1 microF Lrsquoassocia-tion drsquoun reacutegulateur positif et drsquoun reacutegulateur neacutegatif permet dereacutealiser une alimentation double tregraves utile pour la polarisation drsquoungrand nombre de circuits inteacutegreacutes analogiques (figure 712)
Figure 711 ndash Alimentation reacuteguleacutee 9 V
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CHAPITRE 7 - CIRCUITS INTEacuteGREacuteS ANALOGIQUES 143
74 Convertisseur agrave deacutecoupageSi lrsquoon dispose drsquoune premiegravere alimentation continue et que lrsquoondeacutesire obtenir une tension de valeur diffeacuterente plusieurs solutionsexistentSi la tension deacutesireacutee est infeacuterieure agrave la tension deacutejagrave disponible il suffitde faire chuter les potentiels dans une simple reacutesistance Cette solu-tion eacuteleacutementaire ne peut toutefois donner satisfaction que si le deacutebitest constant et le reacutesultat obtenu sera peu preacutecis et peu stable Onpeut reacutesoudre ce problegraveme en employant un reacutegulateur inteacutegreacuteToutefois le rendement de la conversion est mauvais car la chute detension entraicircne une perte de puissance importanteSi la tension deacutesireacutee est plus eacuteleveacutee que celle qui est disponible ou sisa polariteacute est opposeacutee les choses se compliquent et aucune solutionsimple nrsquoexistait jusqursquoagrave un passeacute reacutecent Depuis quelques anneacutees ona vu apparaicirctre des convertisseurs agrave deacutecoupage qui permettent dereacutesoudre facilement tous ces problegravemes Un circuit inteacutegreacute associeacute agrave
Figure 712 ndash Alimentation double plusmn 12 V
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES144
quelques eacuteleacutements passifs (une bobine et quelques condensateurs etreacutesistances) suffit pour reacutealiser un abaissement ou une eacuteleacutevation detension ou encore un changement de polariteacute De plus ces conver-sions se font avec un bon rendement Les notices des circuits inteacutegreacutes fournissent les formules qui permet-tent le choix des diffeacuterents composants externesUn exemple de montage eacuteleacutevateur de tension a eacuteteacute preacutesenteacute auchapitre 3 On peut donner ici un montage inverseur utilisant uncircuit inteacutegreacute TL497 de Texas Instruments (figure 713)
Le circuit fournit une tension neacutegative ndash 5 V agrave partir drsquoune tensionpositive 5 V Le deacutebit maximal est de 100 mA et lrsquoondulation crecircte-agrave-crecircte de la tension de sortie ne deacutepasse pas 1 (agrave condition deprendre pour C un condensateur adapteacute crsquoest-agrave-dire un modegravele agravefaible reacutesistance seacuterie)
Figure 713 ndash Convertisseur inverseur
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CHAPITRE 7 - CIRCUITS INTEacuteGREacuteS ANALOGIQUES 145
75 TemporisateurUn circuit inteacutegreacute tregraves classique est le temporisateur (timer) 555 Ila deacutejagrave eacuteteacute citeacute pour la reacutealisation drsquoun circuit astable au chapitre 2Son rocircle premier est la temporisation crsquoest-agrave-dire la fonctionreacutealiseacutee par un circuit monostable (figure 714)
Agrave la diffeacuterence de lrsquoastable qui ne possegravede aucun eacutetat stable en sortie(crsquoest un geacuteneacuterateur de signaux carreacutes) le monostable possegravede uneacutetat stable et un eacutetat instable En lrsquoabsence drsquoaction sur lrsquoentreacutee lasortie reste dans un eacutetat donneacute Lorsque lrsquoon envoie une impulsionau circuit la tension passe agrave un autre niveau pendant un tempsdeacutetermineacute crsquoest la dureacutee du monostable (figure 715)La dureacutee de la temporisation est donneacutee par la formule
Avec les valeurs du scheacutema on calcule
d = 05 ms
Figure 714 ndash Circuit monostable (les numeacuteros correspondent au boicirctier DIL 8 broches)
d 11RC=
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES146
Si lrsquoastable et le monostable constituent les montages de base du555 la structure du circuit autorise de nombreuses applicationsdiffeacuterentes dans tous les montages de commutation
Figure 715 ndash Eacutevolution des tensions apregraves le deacuteclenchement du monostable
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HAP ITRE
8
IRCUITS
INTEacuteGREacuteS
LOGIQUES
Lrsquoeacutelectronique logique (ou numeacuterique) a acquis une place de plusen plus importante gracircce agrave ses nombreux avantages Lrsquoeacutetude desmontages utilisant des circuits logiques est tout agrave fait diffeacuterente decelle des circuits analogiques
81 Geacuteneacuteraliteacutes
La constitution interne drsquoun circuit inteacutegreacute logique est identique agravecelle drsquoun circuit analogique un grand nombre de transistors(bipolaires ou MOS) et de reacutesistances placeacutes sur une mecircme pastillede silicium Par contre lrsquoinformation traiteacutee par ces deux types decircuits ne se preacutesente pas sous la mecircme forme Pour les montagesanalogiques lrsquoinformation est porteacutee par la valeur instantaneacutee drsquounsignal tension ou intensiteacute Les circuits logiques utilisent un signalbinaire crsquoest-agrave-dire constitueacute de seulement deux niveaux auxquelson attribue une variable 0 ou 1 La valeur exacte du niveau detension nrsquoa aucune importance lrsquoeacutetat 0 ou 1 est attribueacute pour touteune fourchette de niveaux Les diffeacuterentes opeacuterations que lrsquoon effec-tue sur les variables binaires constituent lrsquoalgegravebre de BooleLa technique numeacuterique preacutesente de nombreux avantages Si unparasite ou un bruit se superpose agrave un signal analogique lrsquoinforma-tion est fausseacutee Par contre si ces mecircmes perturbations se superpo-sent agrave un niveau logique lrsquoinformation 0 ou 1 nrsquoest pas modifieacutee agravecondition que la tension reste dans la fourchette autoriseacutee Lescircuits logiques sont drsquoemploi tregraves simple il suffit de suivre un
C
C
ONNAIcircTRE
LES
COMPOSANTS
EacuteLECTRONIQUES
148
certain nombre de regravegles eacuteleacutementaires pour assembler un grandnombre de composants et reacutealiser des montages complexes La miseau point est pratiquement inexistante Le coucirct des circuits inteacutegreacutesnumeacuteriques est particuliegraverement bas Certaines fonctions difficilesagrave reacutealiser en technique analogique (comme la mise en meacutemoire)sont aiseacutees si lrsquoon utilise des variables binaires Le deacuteveloppementdes circuits programmeacutes a encore accru cette importance de lrsquoeacutelec-tronique numeacuteriqueLes circuits logiques sont regroupeacutes en familles Dans un montageanalogique il faut eacutetudier dans chaque cas lrsquoadaptation drsquoun circuitagrave un autre Pour les circuits logiques drsquoune mecircme famille aucunproblegraveme ne se pose on peut relier un certain nombre drsquoentreacutees decircuits (preacuteciseacute par le constructeur) sur une sortie sans avoir agraveeacutetudier le problegraveme La conception drsquoun systegraveme logique se reacutevegravelealors particuliegraverement simple car il suffit de reacutealiser la fonctionsouhaiteacutee agrave lrsquoaide drsquoun certain nombre de boicirctiers sans se preacuteoccu-per des problegravemes eacutelectriques Crsquoest en quelque sorte un jeu deconstruction dont les diffeacuterents eacuteleacutements sont preacutevus pour srsquoadapterles uns aux autresDiffeacuterentes familles logiques sont disponibles La premiegravere cellequi a permis le deacuteveloppement eacutenorme des circuits numeacuteriques estla famille TTL (
transistor-transistor-logic
) Ces circuits sont consti-tueacutes de transistors bipolaires Les performances sont cependantmeacutediocres ces composants sont assez rapides mais consommentbeaucoup En conseacutequence on ne peut pas concevoir de systegravemescomplexes qui posent tout de suite un problegraveme drsquoalimentation Dece fait cette famille nrsquoest plus utiliseacutee aujourdrsquohui mais on larencontre encore dans des montages un peu anciens La deuxiegravemefamille agrave avoir eu un deacuteveloppement important est la familleCMOS (
complementary MOS
) qui ne fait appel qursquoagrave des transistorsMOS Agrave lrsquoinverse de la preacuteceacutedente cette famille est lente maisconsomme peu Les constructeurs ont chercheacute agrave ameacuteliorer lesperformances des deux types de circuits Ainsi est apparue la familleTTL LS Crsquoest une version de la famille TTL qui consomme nette-ment moins mais cependant plus que la famille CMOS Depuisquelques anneacutees sont apparues de nouvelles familles qui apportent
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8 - C
IRCUITS
INTEacuteGREacuteS
LOGIQUES
149
des progregraves notables par rapport agrave leurs ancecirctres En particulier lesfamilles CMOS rapides preacutesentent tous les avantages des circuitspreacuteceacutedents la faible consommation de la CMOS et la rapiditeacute dela TTL LS Comme de plus leur prix est comparable agrave celui desfamilles plus anciennes elles devraient rapidement les supplanterLes circuits inteacutegreacutes logiques se preacutesentent dans des boicirctiers DIL enplastique La reacutefeacuterence indique la famille et la fonction reacutealiseacutee Laplupart des circuits utilisent une numeacuterotation commenccedilant par 74Les deux chiffres qui suivent indiquent la nature du circuit 7400 estun quadruple NAND 7404 renferme six inverseurs etc La familleapparaicirct par une ou deux lettres ajouteacutees 7400 est un circuit TTL74C00 un circuit CMOS 74LS00 un circuit TTLLS et 74HC00 uncircuit CMOS rapidehellip Cependant la principale famille CMOSclassique utilise un autre type de numeacuterotation Les reacutefeacuterencescommencent par 40 ou 45 Le boicirctier qui contient six inverseurssrsquoappelle par exemple 4069 Les brochages sont communs pour lescircuits numeacuteroteacutes 74XX mais sont diffeacuterents pour la seacuterie 40XXLes familles CMOS rapides reprennent des circuits CMOS quinrsquoexistent pas en TTL Dans ce cas la numeacuterotation est 74HC40XXPar exemple le circuit 74HC4046 est une boucle agrave verrouillage dephase qui assure la mecircme fonction que le circuit CMOS reacutefeacuterenceacute4046 Enfin comme pour les circuits inteacutegreacutes analogiques les numeacute-ros sont accompagneacutes drsquoun preacutefixe propre agrave chaque constructeur etdrsquoun suffixe qui indique la gamme de tempeacuteratureLrsquoalimentation des circuits logiques deacutepend de la famille agrave laquelle ilsappartiennent Les circuits TTL (ou TTLLS) sont preacutevus pour unealimentation de 5 V (475 agrave 525 V) Par contre les circuits CMOSclassiques (famille 40XX) autorisent une plage eacutetendue de tensiondrsquoalimentation 3 agrave 15 V Les circuits CMOS rapides reviennent agravedes tensions plus faibles 2 agrave 6 V pour la famille 74HCXXOn peut classer les multiples rocircles des circuits logiques en fonctionscombinatoires et seacutequentielles Lrsquoeacutetat de sortie drsquoun circuit combi-natoire ne deacutepend que des niveaux preacutesents sur ses entreacutees Parcontre lrsquoeacutetat de sortie drsquoun circuit seacutequentiel deacutepend agrave la fois desniveaux preacutesents sur ses entreacutees et de lrsquoeacutetat preacuteceacutedent de la sortieCes composants ont une certaine meacutemoire
C
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LES
COMPOSANTS
EacuteLECTRONIQUES
150
82 Circuits combinatoires
Une fonction combinatoire est deacutefinie par sa table de veacuteriteacute On yindique lrsquoeacutetat de la sortie pour les diffeacuterentes combinaisons possiblesdes niveaux drsquoentreacutee Les
tableaux 81
agrave
86
donnent les tables deveacuteriteacute des fonctions eacuteleacutementaires inversion (NON) ET NAND(NON-ET) OU NOR (NON-OU) et OU exclusif
Tableau 81 ndash Table de veacuteriteacute drsquoun inverseur
E S
0 1
1 0
Tableau 82 ndash Table de veacuteriteacute drsquoun ET
A B S
0 0 0
1 0 0
0 1 0
1 1 1
Tableau 83 ndash Table de veacuteriteacute drsquoun NON-ET (NAND)
A B S
0 0 1
1 0 1
0 1 1
1 1 0
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INTEacuteGREacuteS
LOGIQUES
151
On a supposeacute que les circuits ont deux entreacutees (une pour lrsquoinver-seur) Dans certains cas particuliers on rencontre des composants agraveplus de deux entreacutees (NAND agrave trois entreacutees par exemple) Sur lesscheacutemas on repreacutesente les circuits logiques eacuteleacutementaires soit par
Tableau 84 ndash Table de veacuteriteacute drsquoun OU
A B S
0 0 0
1 0 1
0 1 1
1 1 1
Tableau 85 ndash Table de veacuteriteacute drsquoun NON-OU (NOR)
A B S
0 0 1
1 0 0
0 1 0
1 1 0
Tableau 86 ndash Table de veacuteriteacute drsquoun OU exclusif
A B S
0 0 0
1 0 1
0 1 1
1 1 0
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COMPOSANTS
EacuteLECTRONIQUES
152
leur symbole normaliseacute soit par un symbole ameacutericain que lrsquoonrencontre tregraves souvent surtout dans les documents datant de quel-ques anneacutees (
figure 81
)
Dans la pratique on nrsquoutilise pas des circuits inteacutegreacutes reacutealisant chaquefonction eacuteleacutementaire On preacutefegravere par exemple reacutealiser un ET agrave lrsquoaidedrsquoun NAND et drsquoun inverseur (ou plutocirct drsquoun autre NAND monteacuteen inverseur)
Figure 81 ndash Repreacutesentation des circuits logiques combinatoires
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LOGIQUES
153
Les boicirctiers contenant toujours plusieurs circuits on obtient ainsiune rationalisation de la conception des montages On utilise surtoutdes NAND et des NOR (
figure 82
)
On trouve des circuits inteacutegreacutes reacutealisant des fonctions combinatoi-res plus complexes comme le codage ou le deacutecodage Leur fonction-nement est simplement deacutecrit par une table de veacuteriteacute
Figure 82 ndash Brochage des quadruples NAND et NOR agrave deux entreacutees en CMOS rapide (ou en TTL)
C
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COMPOSANTS
EacuteLECTRONIQUES
154
83 Circuits seacutequentiels
Agrave la diffeacuterence des fonctions combinatoires ougrave seul lrsquoeacutetat des entreacuteesimporte la notion de temps intervient directement dans le fonc-tionnement des circuits seacutequentiels Prenons lrsquoexemple de labascule JK (
figures 83 et 84
)
Figure 83 ndash Symbole normaliseacute drsquoune bascule JK
Figure 84 ndash Symbole courant drsquoune bascule JK
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INTEacuteGREacuteS
LOGIQUES
155
Le circuit possegravede deux sorties compleacutementaires Q et uneentreacutee drsquohorloge H deux entreacutees asynchrones de preacutepositionne-ment (
clear
et
preset
) et deux entreacutees synchrones J et K Le termeasynchrone signifie que lrsquoentreacutee agit immeacutediatement sans interven-tion du signal drsquohorloge alors qursquoune entreacutee synchrone nrsquoagit quelors de lrsquoarriveacutee drsquoun front drsquohorloge Lrsquoaction des entreacutees J et K estreacutesumeacutee dans le
tableau 87
ougrave Q est lrsquoeacutetat de la sortie apregraves valida-tion par un front drsquohorloge
Le fonctionnement peut ecirctre deacutecrit par un diagramme temporel(
figure 85
)Les bascules sont agrave la base de nombreuses fonctions seacutequentiellesplus complexes meacutemorisation comptagehellip Ces fonctions sontreacutealiseacutees par des circuits inteacutegreacutes speacutecialiseacutes De tregraves nombreux typesde circuits sont disponibles dans chaque famille logique Il nrsquoest paspossible de les citer ici et il faut se reporter aux ouvrages plus speacutecia-liseacutes et aux notices des constructeurs
84 Astables et monostables
Il srsquoagit lagrave drsquoune cateacutegorie particuliegravere de montages qui associentcomposants logiques et analogiques Nous avons deacutejagrave rencontreacute cesfonctions dans les chapitres preacuteceacutedents astable agrave amplificateur
Tableau 87 ndash Table drsquoune bascule JK
J K Q
0 0 Inchangeacute
1 0 1
0 1 0
1 1 Basculement
Q
C
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LES
COMPOSANTS
EacuteLECTRONIQUES
156
opeacuterationnel ou agrave temporisateur 555 monostable utilisant un 555Les circuits logiques eacuteleacutementaires peuvent parfois remplacer lescircuits inteacutegreacutes analogiques dans ces fonctions de commutationPar exemple un astable peut ecirctre reacutealiseacute agrave partir de NAND CMOSmonteacutes en inverseurs (
figure 86
)Les charges et deacutecharges successives du condensateur associeacutees auxbasculements des inverseurs permettent drsquoobtenir en sortie unsignal carreacute (
figure 87
)La freacutequence est donneacutee par la formule
Figure 85 ndash Diagramme des temps de la bascule JK
f 122RC-----------------=
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INTEacuteGREacuteS
LOGIQUES
157
Avec les valeurs du scheacutema on calcule
Les valeurs des eacuteleacutements peuvent ecirctre choisies dans une large plage de 27 k
Ω
agrave 27 M
Ω
pour
R
et de 47 pF agrave 10
micro
F pour
C
Lapreacutesence de
R
nrsquoest pas indispensable mais elle permet drsquoeacuteviter uneinfluence des caracteacuteristiques drsquoentreacutee des circuits Il faut pour celachoisir
R
au moins dix fois plus grande que
R
Si cette reacutesistancesuppleacutementaire nrsquoest pas utiliseacutee la formule de la freacutequence nrsquoestplus valable le coefficient 22 est agrave remplacer par environ 16 agrave 18Le deuxiegraveme exemple est un circuit monostable (
figure 88
)
Figure 86 ndash Astable CMOS
Figure 87 ndash Allure de la tension de sortie de lrsquoastable CMOS
f 1
22 104times 10 8ndashtimes----------------------------------------- 4 550 Hz= =
C
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LES
COMPOSANTS
EacuteLECTRONIQUES
158
Le deacuteclenchement par une impulsion positive conduit agrave lrsquoobtentiondrsquoune impulsion en sortie (
figure 89
)
La dureacutee du monostable est donneacutee par la formule
Figure 88 ndash Monostable CMOS
Figure 89 ndash Chronogrammes du monostable CMOS
d 07RC=
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8 - CIRCUITS INTEacuteGREacuteS LOGIQUES 159
Avec les valeurs numeacuteriques on a
Il existe eacutegalement dans chaque famille logique des circuits speacutecialiseacutesastables ou monostables Pour les utiliser il suffit drsquoajouter uncondensateur et une reacutesistance externe Par exemple dans la familleCMOS ordinaire le circuit inteacutegreacute 4047 permet de reacutealiser soit unastable (figure 810) soit un monostable (figure 811) Ce circuitpermet de disposer de deux sorties compleacutementaires sur les bornes 10et 11 Dans le cas du montage astable le rapport cyclique est 50 etla freacutequence est fixeacutee par la reacutesistance R et le condensateur C
Le deacuteclenchement du monostable se fait par une impulsion vers lehaut (figure 812) et sa dureacutee est imposeacutee par la reacutesistance R et lecondensateur C
d 07 560times 103times 10 6ndashtimes 039 s= =
f 144RC-----------------=
d 248RC=
Figure 810 ndash Astable inteacutegreacute
CONNAIcircTRE LES COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES160
Figure 811 ndash Monostable inteacutegreacute
Figure 812 ndash Chronogrammes du monostable
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OCUMENTATION
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COMPOSANTS
Pour bien utiliser un composant eacutelectronique il est indispensablede consulter sa notice deacutetailleacutee pour bien eacutevidemment connaicirctreson brochage mais aussi toutes ses caracteacuteristiques techniques Lespublications des constructeurs permettent eacutegalement drsquoavoir desideacutees de scheacutemas pour diffeacuterentes applications
91 Diverses formes de documents
Les fabricants de composants eacuteditent une litteacuterature abondantesous des preacutesentations diverses
Documents sur papier
Crsquoest la forme traditionnelle des informations techniques On peutrencontrer ndash Le catalogue condenseacute (
short form
) crsquoest une liste des compo-sants fabriqueacutes avec quelques paramegravetres permettant un premierchoix Les informations fournies ne sont cependant pas suffisan-tes pour utiliser le composant Crsquoest en fait un document pluscommercial que technique
ndash Le catalogue complet (
data book
) crsquoest un recueil de noticesdeacutetailleacutees (
data sheets
) des composants Suivant lrsquoeacutetendue de sagamme un constructeur a un ou plusieurs catalogues les com-posants eacutetant dans ce dernier cas classeacutes par types (transistorscircuits inteacutegreacutes analogiques circuits logiques TTLhellip) Crsquoest ce
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COMPOSANTS
EacuteLECTRONIQUES
162
genre de document qursquoil faut consulter pour utiliser un circuit agravebon escient On peut eacutegalement y trouver des notes drsquoapplica-tions (
application notes
) qui fournissent des exemples de scheacutemasaccompagneacutes de quelques explications et de formules utiles pourla conception des montages Des listes drsquoeacutequivalences sont sou-vent donneacutees elles permettent de remplacer un composant drsquounconstructeur par celui drsquoun autre en conservant des caracteacuteristi-ques techniques identiques ou analogues
ndash Le manuel technique (
handbook
) il regroupe un certain nom-bre de notes drsquoapplications traitant drsquoun thegraveme donneacute Crsquoest unesource drsquoinformations tregraves inteacuteressante pour le concepteur de cir-cuits eacutelectroniques Les informations fournies sont en geacuteneacuteraltregraves fiables les scheacutemas eacutelaboreacutes par des speacutecialistes ne com-prennent que tregraves rarement des erreurs Le seul inconveacutenient estque les explications sont parfois succinctes et les calculs peudeacutetailleacutes Il reste donc une recherche agrave effectuer par lrsquoutilisateuravant de pouvoir adapter un scheacutema en vue drsquoune applicationdonneacutee
ndash Les revues techniques ce sont des documents publieacutes peacuteriodi-quement par les grands constructeurs et donnant des informa-tions sur les nouveauteacutes mais parfois aussi des articles quiapprofondissent un point inteacuteressant
Documents informatiques
Les constructeurs abandonnent de plus en plus les catalogues surpapier coucircteux et encombrants pour les remplacer par des docu-ments informatiques Un ceacutedeacuterom regroupe sous forme compacteles informations preacutesentes dans plusieurs catalogues (notices tech-niques scheacutemas drsquoapplications) mais aussi parfois des logiciels deconception (par exemple pour les filtres) ainsi que des modegravelesSPICE pour la simulation sur ordinateur Seuls quelques fabricantsagrave la gamme tregraves eacutetendue sont obligeacutes drsquoutiliser plusieurs ceacutedeacuterompour leur documentation La preacutesentation est souvent lieacutee agrave celle dusite Internet de la marque avec lequel des liens permettent une miseagrave jour permanente
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Sites Internet
Tous les constructeurs de composants eacutelectroniques possegravedent leursite Internet qui ne se contente pas drsquoecirctre une simple vitrine de lamarque comme dans drsquoautres domaines mais regroupe lrsquoensembledes informations techniques neacutecessaires agrave lrsquoutilisateur Crsquoestaujourdrsquohui lrsquooutil le plus performant pour trouver les renseigne-ments rechercheacutes on dispose drsquoune information complegravete (parfoisplus eacutetendue que dans le ceacutedeacuterom correspondant) disponible immeacute-diatement et gratuitement et en plus mise agrave jour reacuteguliegraverement Lesadresses correspondantes sont assez stables hormis dans le cas desineacutevitables changements de marque dus en geacuteneacuteral agrave des rachats desocieacuteteacutes ou des regroupements On peut ainsi citer quelques sitesinteacuteressants la liste ne pouvant eacutevidemment pas ecirctre exhaustive
ndash Agilent Technologies wwwagilentcomndash Allegro wwwallegromicrocomndash Analog Devices wwwanalogcomndash Bourns wwwbournscomndash Fairchild wwwfairchildsemicomndash Infineon wwwinfineoncomndash International Rectifier wwwirfcomndash Intersil wwwintersilcomndash Linear Technology wwwlinearcomndash Maxim wwwmaxim-iccomndash National Semiconductor wwwnationalcomndash Semelab wwwsemelabcomndash STM wwwstcomndash Texas Instruments wwwticomndash Vishay wwwvishaycom
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EacuteLECTRONIQUES
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92 Contenu drsquoune notice technique
Le document le plus important pour lrsquoutilisateur est la feuille despeacutecifications du composant qui regroupe lrsquoensemble des informa-tions techniques inteacuteressantes Son importance varie suivant le typedrsquoeacuteleacutement de moins drsquoune page pour certains transistors agrave plusieursdizaines de pages pour quelques circuits inteacutegreacutes Malgreacute drsquoineacutevita-bles variantes selon les constructeurs ces notices preacutesentent lrsquoinfor-mation suivant une structure agrave peu pregraves commune en particulierpour les circuits inteacutegreacutes On trouve en geacuteneacuteral dans cet ordre ndash un petit paragraphe drsquointroduction donnant quelques caracteacuteris-
tiques essentielles du circuit Il est destineacute agrave ecirctre lu quand onparcourt le catalogue agrave la recherche drsquoun composant mais neconstitue pas une information technique complegravete Il met plutocircten avant les points forts du composant
ndash le brochage du composant crsquoest-agrave-dire le rocircle des diverses con-nexions externes
ndash le scheacutema fonctionnel pour certains circuits inteacutegreacutes analogi-ques Il deacutecrit le fonctionnement du composant par des blocs quicorrespondent agrave une fonction donneacutee Il est inteacuteressant dans cer-tains cas pour lrsquoeacutetude des montages
ndash des explications neacutecessaires pour lrsquoutilisation de certains circuitsinteacutegreacutes
ndash le scheacutema deacutetailleacute de la structure interne pour certains circuitsinteacutegreacutes Il est souvent de peu drsquointeacuterecirct pour lrsquoutilisateur
ndash les limites absolues de fonctionnement elles sont particuliegrave-rement importantes pour lrsquoutilisateur Ce sont des valeurs agrave nepas deacutepasser sous risque de destruction du composant
ndash les caracteacuteristiques eacutelectriques ce sont des indications des per-formances du composant donneacutees sous forme de valeurs numeacute-riques dans des tableaux ou de courbes Ces donneacutees sontinteacuteressantes pour le concepteur Il faut bien distinguer lesvaleurs maximales ou minimales qui sont utiles pour respectercertaines contraintes exprimeacutees sous forme drsquoineacutegaliteacutes et lesvaleurs typiques qui sont de simples ordres de grandeur
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ndash des montages drsquoessais qui sont parfois fournis pour preacuteciser lesconditions de test de certains paramegravetres
ndash des scheacutemas drsquoapplications plus ou moins nombreux suivant lescas qui donnent des ideacutees drsquoapplications
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NDEX
A
acceacuteleacuteration 115ajustable 15 25alimentation 70 141
stabiliseacutee 91alternatif 63amplificateur 110
de tension 137opeacuterationnel 26 92 94
134-138seacutelectif 73
amplification 110 137en courant 101
anode 77anti-parasitage 71appauvrissement 104arc eacutelectrique 62arseacuteniure de gallium 82association
en parallegravele 7en seacuterie 5
astable 38 52 156avalanche
effet drsquo
sim
79
B
basculeagrave hysteacutereacutesis 94 138JK 154
base 98blocage 102bobine 55
agrave air 69agrave noyau de fer 64agrave noyau de ferrite 66drsquoarrecirct 74miniature 68
boucle ouverte 136 139brochage 132
C
capaciteacute 29cathode 77champ magneacutetique 56charge
drsquoun condensateur 34reacutesistive 21
I
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circuitcombinatoire 149-150inteacutegreacute analogique 131inteacutegreacute logique 147logique CMOS 116monostable 145seacutequentiel 149 154
claquage 79classe B 111classe C 73 111CMOS 148
rapides 149code des couleurs
des bobines miniatures 68des condensateurs 42des reacutesistances 11
collecteur 98Colpitts 74combinatoire 149commutation 111 136comparateur 92condensateur 29
agrave film plastique 41au tantale 43ceacuteramique 43de deacutecouplage 47de liaison 50eacutelectrolytique 43polariseacute 33variable 44
constante de temps 35contre-reacuteaction 110 136convertisseur
agrave deacutecoupage 143numeacuteriqueanalogique 17
courantalternatif 38constant 34de pont 22
courants de Foucault 64
D
data book
161deacutecharge drsquoun condensateur 37deacuteclenchement 146 159deacutecoupage 71deacutecouplage 47deacuterivateur 51diac 127DIL 132diode 18 77
de protection 115de redressement 83de roue libre 75de signal 83eacutelectroluminescente 82varicap 80Zener 79 91
dipocircle passif 77diviseur reacutesistif 20drain 103
E
effetdrsquoavalanche 79Joule 5Zener 79
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NDEX
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eacuteleacutevateur de tension 144eacutemetteur 98
commun 99eacutenergie 30 56enrichissement 104enroulement
primaire 59secondaire 59
ET 150exponentielle 36 61
F
farad 30filtrage 44 87 91filtre 49 71flux 56freacutequence 39 51 96
de coupure 108de transition 108
G
gain 101gradateur 127grille 103
H
henry 56horloge 155hysteacutereacutesis 138impeacutedance 39 49 64
inductance 55speacutecifique 67
inverseur 144 150Joule (effet) 5loi drsquoohm 3marquage des condensateurs 40monostable 38 145 157multitours 15
N
NON-ET 150NON-OU 151notice technique 164noyau ferromagneacutetique 57
O
ohm 3 5optocoupleur 106 129oscillateur 74OU 151OU exclusif 151
P
parallegraveleassociation en
sim
7photocoupleur 106photodiode 81phototransisor 105polarisation 23
C
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EacuteLECTRONIQUES
170
drsquoune diode 18des transistors 73
pontde diodes 46de Graetz 70mouleacute 84
potentiomegravetre 14 24multitour 15
preacutecisiondrsquoune capaciteacute 40drsquoune reacutesistance 8
protection 92puissance 5 13
apparente 65
Q
quadrature 38 63quantiteacute de charge 30
R
rapportcyclique 94de transformation 59
redressement 84 91reacutegulateur de tension 141reacutesistance 3 10-11
agrave couche de carbone 14agrave couche meacutetallique 14ajustable 15bobineacutee 14talon 25variable 14
reacutesistiviteacute 4rheacuteostat 24
S
saturation 103 112semi-conducteur 77 97seacutequentiel 149seacuterie
association en
sim
5normaliseacutee 8
seuil 78 87de basculement 138
short form
161source 103SPICE 162stabilisation 87
T
table de veacuteriteacute 150temporisateur 52 145thyristor 75 119toleacuterance 8-9transformateur 57
drsquoimpulsion 75torique 66
transistor 93 97agrave effet de champ agrave jonction bipolaire 97MOS 104 116
triac 121TTL 148TTL LS 148
103
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NDEX
171
V
va-et-vient 70valeur nominale 8
W
watt 5weber 56
Z
Zenerdiode
sim
79effet
sim
79
048885 - (I) - (18) - OSB 100deg - SCM - MPNDeacutepocirct leacutegal de la 1egravere eacutedition 1989 Deacutepocirct leacutegal mars 2005 - Ndeg 4751
Imprimerie CHIRAT - 42540 Saint-Just-la-Pendue
Imprimeacute en France
P MA
YEacute
CO
MPO
SAN
TS EacuteLECTR
ON
IQU
ES
ISBN 2 10 048885 6
AIDE-MEacuteMOIRE DE LrsquoINGEacuteNIEUR
Pierre Mayeacute
COMPOSANTS EacuteLECTRONIQUES
PIERRE MAYEacute
est agreacutegeacute de physique et ingeacutenieur en eacutelectronique et eacutelectromeacutecaniqueIl enseigne en BTSdrsquoeacutelectronique agrave ArrasIl est lrsquoauteur de plusieursouvrages speacutecialiseacutesen eacutelectronique eteacutelectrotechnique
wwwdunodcom
Cet aide-meacutemoire deacutecrit de maniegravere simple etpratique les principales caracteacuteristiques descomposants de base analogiques ou logiques delrsquoeacutelectronique bull leurs proprieacuteteacutes physiques et leurs principes de
fonctionnement bull leurs caracteacuteristiques technologiques bull leurs domaines drsquoutilisation agrave travers des
applications concregravetesCette 3e eacutedition revue et actualiseacutee propose unnouveau chapitre traitant des thyristors et des triacsAvec pregraves de 150 scheacutemas un panorama desdiffeacuterentes sources drsquoinformations techniques et unindex deacutetailleacute lrsquoouvrage constitue un preacutecieux outilde travail pour tous les eacutelectroniciens deacutebutants ouconfirmeacutes ainsi que pour les techniciens nonspeacutecialistes du domaine
3 e eacutedition deConnaicirctre les composantseacutelectroniques
3e eacutedition
- Table des Matiegraveres
-
- INTRODUCTION
- CHAPITRE 1 - REacuteSISTANCES ET POTENTIOMEgraveTRES
-
- 11 Principe et proprieacuteteacutes
-
- Loi dOhm
- Reacutesistiviteacute
- Effet Joule
- Symboles
- Associations de reacutesistances
-
- 12 Caracteacuteristiques technologiques ( reacutesistances fixes)
-
- Preacutecision
- Valeurs normaliseacutees
- Marquage
- Puissance maximale
- Technologies
-
- 13 Reacutesistances variables
-
- Potentiomegravetres de reacuteglage
- Reacutesistances ajustables
-
- 14 Domaines dutilisation
-
- CHAPITRE 2 - CONDENSATEURS
-
- 21 Principe et proprieacuteteacutes
-
- Capaciteacute
- Eacutenergie emmagasineacutee
- Symbole
- Associations de condensateurs
- Courbes de charge et de deacutecharge
- Comportement en alternatif
-
- 22 Caracteacuteristiques technologiques
-
- Valeurs et preacutecision
- Tension maximale
- Marquage
- Technologies
- Condensateurs variables
-
- 23 Domaines dutilisation
-
- CHAPITRE 3 - BOBINES ET TRANSFORMATEURS
-
- 31 Principe et proprieacuteteacutes
-
- Inductance
- Eacutenergie emmagasineacutee
- Non- lineacuteariteacute
- Symboles
- Associations
- Eacutetablissement du courant dans une bobine
- Bobine en alternatif
- Transformateur
-
- 32 Caracteacuteristiques technologiques
-
- Bobines agrave noyau de fer
- Bobines agrave noyau de ferrite
- Bobines agrave air
-
- 33 Domaines dutilisation
-
- CHAPITRE 4 - DIODES
-
- 41 Principes et proprieacuteteacutes
-
- Constitution
- Symboles
- Fonctionnement
- Diode Zener
- Diode varicap
- Photodiode
- Diode eacutelectroluminescente
-
- 42 Caracteacuteristiques technologiques
-
- Limites de fonctionnement
- Marquage
- Ponts mouleacutes
-
- 43 Domaines dutilisation
-
- CHAPITRE 5 - TRANSSITORS
-
- 51 Principe et proprieacuteteacutes
-
- Transistors bipolaires
- Transistors agrave effet de champ agrave jonction
- Transistors MOS
- Phototransistors
- Photocoupleurs
-
- 52 Caracteacuteristiques technologiques
-
- Transistors bipolaires
- Transistors agrave effet de champ
- Transistors MOS
- Transistors dans les circuits inteacutegreacutes
- Critegraveres de choix
- Boicirctiers
-
- 53 Domaines dutilisation