Fonction commuter en puissance 1
FONCTION « COMMUTER LA PUISSANCE »
I- Approche fonctionnelle Energie (faible) La partie commande (constituée par un microcontrôleur ou des circuits logiques …) ne peut délivrer une tension et un courant suffisant pour piloter directement un moteur électrique ou une lampe. Il est donc obligatoire d’utiliser un pré actionneur qui joue le rôle d’interface de puissance entre la partie commande et la partie opérative. Le pré actionneur pourra être commandé en entrée par un courant ou une tension faible et commutera en sortie une puissance électrique (We) adaptée à la charge. Divers composants ou associations de composants permettent de réaliser une interface de puissance. Par exemple les transistors pour commuter des tensions/courants continus, des thyristors et triacs (pour l’alternatif) , les relais (commute du continu ou de l’alternatif)
Les transistors bipolaires
Le transistor est un composant fondamental de l’électronique moderne. Actuellement ses applications en tant que composant discret touche principalement au domaine de la commutation (en petite ou grande puissance). En tant que composant intégré, il entre dans la constitution de tous les circuits intégrés, quelques soient leurs fonctions. Nous pouvons donc distinguer deux sortes de transistors bipolaires
les transistors ……………………………… les transistors ……………………………….
Elaborer les signaux de commande
Transformer
l’énergie
We Ordre
Fonction commuter en puissance 2
Représentations, loi des nœuds et loi des mailles :
TRANSISTOR DE TYPE NPN TRANSISTOR DE TYPE PNP
SYMBOLES
COURANTS
TENSIONS
Collecteur
Emetteur
Base
Base
Collecteur
Emetteur
Ic
Ib
Ie
Ib
Ic
Ie
.
.
VCB
VBE
VCE
VCE
VBE
VCB
L'effet transistor :
………………………………….. (mini étant appelé le coefficient d’amplification en
courant)
Ordre de grandeur de ou Hfe ou H21 : 30<<300 et voir plus.
D’après la loi des nœuds et de part la grande valeur de on peut en déduire que : ………
Le transistor en commutation :
Le transistor en commutation peut être assimilé à un interrupteur commandé, l'application
d'un courant de base (ib de saturation) provoque la conduction du transistor qui se
comporte alors comme un interrupteur fermé.
Remarque : pour que le transistor soit correctement saturé il faut ………………………
Fonction commuter en puissance 3
Le transistor NPN
Ic
Ib
Ie
Ve
Rb
Rc
Vcc
VBE
Vs
Ve
Vcc
VBE
0.6V
Ic
Vcc/Rc
Vcc
t
t
t
t
Vs
Schémas équivalents d’un transistor (NPN) bloqué ou saturé:
Transistor Bloqué
Transistor saturé
Remarque : pour ce montage, le transistor réalise la fonction logique NON.
Lorsque le transistor est saturé, Vce sat est proche de 0 V ( 0.2v à 1 V)
Vbe sat = 0.6V (tension d’une diode passante).
Ic =
Vbe
Fonction commuter en puissance 4
Le transistor PNP en commutation
Ic
Ib
Ie
Ve
Rb
RcVs
VccVe
VBE
Ic
Vs
t
t
t
tTransistor Transistor
Schémas équivalents d’un transistor (PNP) bloqué ou saturé :
Conclusion:
- le schéma équivalent d’un transistor (NPN ou PNP) bloqué est un interrupteur
ouvert entre son Collecteur et son Emetteur.
- le schéma équivalent d’un transistor (NPN ou PNP) saturé est un interrupteur
fermé entre son Collecteur et son Emetteur.
Fonction commuter en puissance 5
Fonction commuter en puissance 6
Le transistor MOS (commande en tension) Les transistors à effet de champ sont dotés de trois broches appelées : Grille (G), Drain (D) et Source
(S). Ils sont dotés d'un canal N ou P par lequel est assuré le passage du courant entre Drain et Source.
La conduction est commandée par un champ électrique produit par une tension appliquée sur la grille.
On distingue deux types de transistor MOS : Le MOS canal N et le MOS canal P
Principe de fonctionnement en commutation du MOS : on étudie le cas du transistor Mos canal N :
Pour Vgs = 0 , le transistor est bloqué (interrupteur ouvert) et donc Id = 0 Pour Vgs>0 , le transistor est passant (interrupteur fermé) et donc Id > 0 Note : pour un canal P , Le transistor est passant pour Vgs<0 .
Fonction commuter en puissance 7
EXERCICES Exo 1 :
1- Identifier le type de transistor 2- Placer sur le schéma : Vce, Vbe, Ic, Ib, Vf 3- Calculer Rc pour limiter le courant dans la led à 25mA (Ic = 25mA) . Pour cela vous devez au
préalable appliquer la loi des mailles sur la sortie (avec V+, Vf, Vrc et Vcesat) . Sachant que Vrc = Rc*Ic , vous déduisez Rc en fonction de V+, Vf , Ic et Vcesat.
4- Calculer Ib sachant qu’on prendra un coefficient de sursaturation de 5 (appliquez la formule
liant Ic, Ib et , prendre la valeur min de ) 5- En déduire Rb (mais n’oubliez pas d’appliquer la loi des mailles en entrée !)
Exo 2 : On souhaite commander une lampe à partir de la sortie parallèle du PC
1- Placer Vbe, Vce et Ib sur le schéma. 2- Calculer la valeur de Ic 3- En déduire la valeur de Ib en prenant k =5. 4- Calculer Rb 5- Justifier le rôle du transistor sachant que le courant délivré par la sortie du port // ne peut
excéder une quinzaine de milliampère 6- Rajouter la diode de roue libre aux bornes du relais. Le rôle d’une diode de roue libre est de
protéger le transistor contre les courants induits générés par le bobinage du relais lors de la commutation.
On donne : V+ (alim) = 12V Vf = 1,6V (tension aux bornes de la led) Vce sat = 0,3V Vbesat = 0.65V Ve = 5V
80< < 150
On donne : Vcc = 10V R = 100ohms (résistance du relais) Vce sat = 0,2V Vbesat = 0.7V Ve = 5V
100< < 160
Fonction commuter en puissance 8
FONCTION « COMMUTER LA PUISSANCE »
I- Approche fonctionnelle Energie (faible) Energie de puissance (We)
Microcontrôleur, uP Préactionneur Moteur, lampes … circuits logiques… (Transistors, Relais, Thyristor, Triac) La partie commande (constituée par un microcontrôleur ou des circuits logiques …) ne peut délivrer une tension et un courant suffisant pour piloter directement un moteur électrique ou une lampe. Il est donc obligatoire d’utiliser un pré actionneur qui joue le rôle d’interface de puissance entre la partie commande et la partie opérative. Le pré actionneur pourra être commandé en entrée par un courant ou une tension faible et commutera en sortie une puissance électrique (We) adaptée à la charge. Divers composants ou associations de composants permettent de réaliser une interface de puissance. Par exemple les transistors pour commuter des tensions/courants continus, des thyristors et triacs (pour l’alternatif ) , les relais (commute du continu ou de l’alternatif)
Les transistors bipolaires
Le transistor est un composant fondamental de l’électronique moderne. Actuellement ses applications en tant que composant discret touche principalement au domaine de la commutation (en petite ou grande puissance). En tant que composant intégré, il entre dans la constitution de tous les circuits intégrés, quelques soient leurs fonctions. Nous pouvons donc distinguer deux sortes de transistors bipolaires
les transistors PNP, les transistors NPN.
Elaborer les signaux de commande
Commuter la
puissance
Transformer
l’énergie
We Ordre
Fonction commuter en puissance 9
Représentations, loi des nœuds et loi des mailles :
TRANSISTOR DE TYPE NPN TRANSISTOR DE TYPE PNP
SYMBOLES
COURANTS
TENSIONS
Collecteur
Emetteur
Base Base
Collecteur
Emetteur
Ic
Ib
Ie
Ib
Ic
Ie
LOI DES NOEUDS
Ie = Ib + Ic
LOI DES MAILLES
VCE = VCB + VBE
VCB
VBE
VCE VCE
VBE
VCB
L'effet transistor :
Ic = mini Ib ( étant appelé le coefficient d’amplification en courant)
Ordre de grandeur de ou Hfe ou H21 : 30<<300 et voir plus.
d’après la loi des noeuds et de part la grande valeur de on peut en déduire que : Ie # Ic
Le transistor en commutation :
Le transistor en commutation peut être assimilé à un interrupteur commandé, l'application
d'un courant de base (ib de saturation) provoque la conduction du transistor qui se
comporte alors comme un interrupteur fermé.
Remarque : pour que le transistor soit correctement saturé il faut Ibase > Icsat/
Fonction commuter en puissance 10
Le transistor NPN
Ic
Ib
Ie
Ve
Rb
Rc
Vcc
VBE
Vs
Ve
Vcc
VBE
0.6V
Ic
Vcc/Rc
Vcc
t
t
t
t
Transistor bloqué Transistor saturé
Vs
Etat logique "0"
Etat logique "1"
Schémas équivalents d’un transistor (NPN) bloqué ou saturé:
Transistor Bloqué
Vcc
C
E
Vs = Vcc
Transistor saturé
Vcc
C
E
Vs=VCEsat=0V
Remarque : pour ce montage, le transistor réalise la fonction logique NON.
Lorsque le transistor est saturé, Vce sat est proche de 0 V ( 0.2v à 1 V)
Vbe sat = 0.6V (tension d’une diode passante).
Ic = mini *Ib / k ( k coefficient de sursaturation > 1 k =10)
Vbe
Fonction commuter en puissance 11
Le transistor PNP en commutation
Ic
Ib
Ie
Ve
Rb
RcVs
VccVe
VBE
Ic
Vs
t
t
t
tTransistor Transistor
Schémas équivalents d’un transistor (PNP) bloqué ou saturé :
Conclusion:
- le schéma équivalent d’un transistor (NPN ou PNP) bloqué est un interrupteur
ouvert entre son Collecteur et son Emetteur.
- le schéma équivalent d’un transistor (NPN ou PNP) saturé est un interrupteur
fermé entre son Collecteur et son Emetteur.
Fonction commuter en puissance 12
Fonction commuter en puissance 13
Fonction commuter en puissance 14
Le transistor MOS (commande en tension) Les transistors à effet de champ sont dotés de trois broches appelées : Grille (G), Drain (D) et Source
(S). Ils sont dotés d'un canal N ou P par lequel est assuré le passage du courant entre Drain et Source.
La conduction est commandée par un champ électrique produit par une tension appliquée sur la grille.
On distingue deux types de transistor MOS : Le MOS canal N et le MOS canal P
Principe de fonctionnement en commutation du MOS : on étudie le cas du transistor Mos canal N :
Pour Vgs = 0 , le transistor est bloqué (interrupteur ouvert) et donc Id = 0 Pour Vgs>0 , le transistor est passant (interrupteur fermé) et donc Id > 0 Note : pour un canal P , Le transistor est passant pour Vgs<0 .
Fonction commuter en puissance 15
EXERCICES Exo 1 :
6- Identifier le type de transistor 7- Placer sur le schéma : Vce, Vbe, Ic, Ib, Vf 8- Calculer Rc pour limiter le courant dans la led à 25mA (Ic = 25mA) . Pour cela vous devez au
préalable appliquer la loi des mailles sur la sortie (avec V+, Vf, Vrc et Vcesat) . Sachant que Vrc = Rc*Ic , vous déduisez Rc en fonction de V+, Vf , Ic et Vcesat.
9- Calculer Ib sachant qu’on prendra un coefficient de sursaturation de 5 (appliquez la formule
liant Ic, Ib et , prendre la valeur min de ) 10- En déduire Rb (mais n’oubliez pas d’appliquer la loi des mailles en entrée !)
Exo 2 : On souhaite commander une lampe à partir de la sortie parallèle du PC
7- Placer Vbe, Vce et Ib sur le schéma. 8- Calculer la valeur de Ic 9- En déduire la valeur de Ib en prenant k =5. 10- Calculer Rb 11- Justifier le rôle du transistor sachant que le courant délivré par la sortie du port // ne peut
excéder une quinzaine de milliampère 12- Rajouter la diode de roue libre aux bornes du relais. Le rôle d’une diode de roue libre est de
protéger le transistor contre les courants induits générés par le bobinage du relais lors de la commutation.
On donne : V+ (alim) = 12V Vf = 1,6V (tension aux bornes de la led) Vce sat = 0,3V Vbesat = 0.65V Ve = 5V
80< < 150
On donne : Vcc = 10V R = 100ohms (résistance du relais) Vce sat = 0,2V Vbesat = 0.7V Ve = 5V
100< < 160