Certainement le composant le plus utilisé dans le monde de l’électronique, la résistance est un dipôle qui s’oppose au passage du courant électrique qui la traverse. On la note R. Sur un schéma électronique, son symbole est le suivant :             Sa valeur se mesure en Ohms, de symbole Oméga majuscule : Ω.  Les milliers et millions d’Ohms se notent respectivement kΩ et MΩ. Expérimentalement, on constate que le courant I qui la traverse (comparer avec le débit d’eau qui passe dans un tuyau) est proportionnel à la tension U qui se trouve à ses bornes (comparer avec la différence de hauteur de niveaux d’eau ou de pressions sur un barrage percé d’un tuyau). Le rapport des deux est donc une constante pour un composant donné :   U / I = constante Cette constante, c’est la résistance. La loi d’Ohm pour les résistances est ainsi connue sous la forme : U = R.I U en Volts, R en Ω, I en Ampères. Il faut bien comprendre que pour un composant donné, on peut faire varier U ou I (l’autre lui étant proportionnel), alors que R est fixe. La loi d’Ohm s’applique aux tensions et courants continus, mais aussi en alternatif, en prenant la valeur efficace (« RMS » en Anglais, « Root Mean Square » : moyenne quadratique) ou la valeur crête (« Peak », en Anglais : pic, crête). Une résistance très faible peut être un morceau de fil, une résistance très élevée peut être un interrupteur ouvert. L’analogie avec le tuyau consiste à dire qu’une résistance très élevée est un tuyau très fin (beaucoup de différence de hauteur d’eau pour un débit faible) où l’eau passera mal : le tuyau offre une grande résistance au passage de l’eau. On appelle résistance le composant électronique dont la grandeur électrique porte le même nom ! C’est un abus de langage toujours utilisé. Le composant électronique devrait être désigné par « conducteur ohmique », « résisteur », « resistor », « dipôle résistif » ou quelque chose qui le différencie de la grandeur électrique qui le caractérise.   La suite - La résistance mise en pratique...

La mise en pratique peut être limitée par plusieurs facteurs : la tolérance, la puissance, la valeur.   La tolérance: Les valeurs de résistances qu’on trouve ont une certaine incertitude qui est indiquée par le fabricant (0.1 à 10% principalement). Si un montage demande une résistance de valeur précise, la tolérance devra être considérée. Une résistance de 3kOhm à 2% peut fluctuer, selon le composant qu’on choisit dans le lot de 2940 à 3060 Ohm. Pour un composant donné, sa valeur peut être mesurée avec précision. On peut mesurer à l’ohmmètre 2984 Ohm, alors qu’une valeur de 3069 Ohm ne serait pas conforme à une tolérance de 2% par exemple.   Puissance et effet Joule: Les résistances utilisées, selon leur technologie et leur taille peuvent accepter une puissance différente. Cette puissance P se calcule en faisant le produit U.I, ou R.I², ou encore U²/R. Cette puissance se traduit comme échauffement du composant : c’est l’effet Joule. On veillera donc à ne pas dépasser la puissance maximale sous peine de destruction.  L’effet Joule peut être souhaité pour les résistances de chauffage électrique (1000W à 2000W), ou non souhaité (échauffement des bobinages d’un transformateur). Un autre exemple de résistance sont les ampoules à incandescence, dont la chaleur dégagée par le filament vise à éclairer (même si seulement moins de 5% est converti en lumière). L’électronicien amateur qui utilise des résistances traditionnelles rencontre surtout des résistances 1/4W. Les composants à montage en surface (CMS), plus petits, acceptent de 31mW à 1W.   Dimensions d’une résistance traditionnelle 1/4W et des CMS (ci dessous)     Ci contre, une résistance 1/4W traditionnelle et des résistances CMS de taille 0402, 0603, 0805 et 1206. La taille d’un composant 0402 vaut 4 x 2 centièmes de pouce, ce qui fait 1.0 x 0.5 mm. Un 0805 mesure 8 x 5 centièmes de pouce, c’est à dire 2.0 x 1.25mm. On peut cependant avec précaution les monter à la main.                 Montage à la main de résistances 0402 soudées sur la tranche (ci dessous)                                             Dimensions d’une résistance traditionnelle 1/4W et de modèle plus puissants                             Séries de valeurs standardisées E12: Pour des raisons de standardisation, il n’existe qu’un nombre limité de résistances vendues dans le commerce. Pour une décade (plage de 1x à 10x), il existe les séries E12, E24, E48, E96 qui contiennent respectivement 12, 24, 48 ou 96 valeurs par décade. Ce système fonctionne comme notre monnaie dont les valeurs par décade sont : 1, 2, 5. On construit pour les décades suivantes 10, 20 et 50, puis 100, 200 et 500, ou encore 0.1, 0.2, 0.5.   Pour la série E12 (dont la tolérance est fréquemment 5%), on a : 1, 1.2, 1.5, 1.8, 2.2, 2.7, 3.3, 3.9, 4.7, 5.6, 6.8, 8.2. On peut donc avoir 0.22 Ohm, 2.7Ohm, 12Ohm ou encore 68kOhm, mais on ne peut pas avoir 5Ohm ou 20kOhm. Pour obtenir ces valeurs, il faut associer plusieurs résistances en série ou parallèle.   La suite - resistance et code couleur...

La valeur des résistances se lit avec les anneaux de couleurs. Les résistances à 4 anneaux sont les plus courantes et leurs valeurs se lisent ainsi :       Il faut que l’anneau de tolérance soit placé à droite pour ne pas lire à l’envers. L’anneau de tolérance est plus écarté. Ici, dans cet exemple, on voit « 6 2 3 », c’est à dire 6 2 x 1000 Ohm, c’est à dire 62kOhm. Sur les CMS, les valeurs sont indiquées à l’aide de chiffres uniquement, dans ce cas, les multiplicateurs x0.1 et x0.01 sont respectivement notés 9 et 8.   Exemples :   479 : 47 x 0.1 = 4.7 Ohm 109 : 10 x 0.1 = 1 Ohm 278 : 22 x 0.01 = 0.27 Ohm 108 : 10 x 0.01 = 0.1 Ohm   Les résistances à 5 anneaux possèdent 3 chiffres significatifs au lieu de 2.   Exemple : rouge vert jaune brun brun = 2541 1% = 254 x 10 = 2540 Ohm (tolérance 1%)   La valeur peut aussi être écrite sur le composant avec 3 caractères, le séparateur décimal (à la place de la virgule) étant R pour les Ohms, K pour les kOhm, et M pour les MOhm. Divers exemples sont repris dans le tableau ci dessous.     La suite - La resistance association en série et parallèle...

Deux résistances peuvent être connectées en série (bout à bout), ce qui forme un nouveau dipôle dont la résistance équivalent vaut la somme des deux :           On peut ainsi, en mettant deux résistances de 10kOhm en série, obtenir une résistance de 20kOhm (de même tolérance que les 10kOhm). Bien sur, on peut mettre plusieurs résistances en série, on a alors :             Ce résultat se démontre par l’additivité des tensions dans un circuit série. Deux résistances peuvent être connectées en parallèle (dédoublement du passage du courant), ce qui forme un nouveau dipôle dont la résistance équivalent vaut l’inverse de la somme des inverses:             Ce qui se généralise, dans le cas de plusieurs résistances :             Ce résultat peut se démontrer par le fait que la somme des courants qui traversent chaque résistance vaut le courant qui traverse une seule résistance équivalente. Dans le cas de résistances en parallèle, la valeur équivalente est toujours plus faible que la plus faibles des valeurs.   La suite - la résistance limitation de courant...

La plupart des résistances servent à limiter le courant traversant un composant ainsi qu’à créer de nouvelles tensions plus faibles à partir d’une tension donnée (pont diviseur).   Limitation de courant: On souhaite allumer une LED qui supporte 20mA sur une alimentation 24V. La tension aux bornes de la LED est alors de 2.2V. Quelle résistance choisir (valeur et puissance) ?   Réponse : L’additivité des tensions fait que la tension aux bornes de la résistance vaut 24V-2.2V = 21.8V. Il y a égalité du courant I qui circule dans la résistance et dans la LED. On dimensionne R pour que le courant qui la traverse soit de 20mA (maximum accepté par la LED). La loi d’Ohm pour la résistance s’écrit : R = U / I Soit numériquement : R = 21.8/.020 = 1090 Ohm = 1.09kOhm (convertir le courant en Ampères)   On prendra la valeur immédiatement supérieure, par exemple, dans la série E12, 1.2kOhm. Ainsi, on ne dépasse jamais le courant maximum autorisé.   La puissance P dissipée par cette résistance vaut : P = U² / R P = 21.8² / 1200 = 0.396W   On prendra un modèle 0.5W minimum. Un modèle 1/4W ne convient pas, il surchaufferait ! La résistance utilisée ici sert à encaisser la chute de tension entre le générateur 24V et la LED. On l’appelle résistance chutrice.   La suite - la résistance pont diviseur de tension...

On souhaite réaliser une tension Vs = 3.3V à partir d’une alimentation 12V. Que doit valoir R2 ?   Réponse: Les calculs reposent sur le fait qu’aucun courant n’est appelé sur la sortie Vs, c’est à dire que le courant traversant R1 (I(R1)) est égal à celui traversant R2 (I(R2)). Si un courant doit sortir par Vs, on diminuera les valeurs de R1 et R2 telles que le courant qui les traverse soit très supérieur. Cependant, en diminuant R1 et R2, on augmente la consommation sur l’entrée 12V. Un compromis est donc à trouver selon les situations. Ici, on a fixé R1 = 10kOhm.   L’égalité I(R1) = I(R2) donne U(R1)/R1 = U(R2)/R2.   Or, U(R1) = Vs et U(R2) = Ve - Vs Vs/R1 = (Ve – Vs)/R2   D’où R2 = (Ve – Vs).R1 / Vs = (12 – 3.3).10000 / 3.3 = 26.36 kOhm   On choisira la valeur standardisée la plus proche.   Note : si on souhaite dimensionner un pont diviseur pour abaisser la tension (tension de sortie inférieure à la tension d'entrée) , on utilisera la relation :   Vs = Ve . R1/(R1+R2)

Le condensateur est un composant électronique qui peut être comparé à un réservoir d’énergie. Il est constitué de deux armatures métalliques séparées par un isolant. Lorsqu’on applique une tension à ses bornes, l’isolant est soumis à cette tension et accumule de l’énergie électrostatique. Il accumule aussi une charge électrique. Son symbole, dans les circuits électroniques, est le suivant :                  La grandeur physique qui caractérise le condensateur est la capacité (mesurée en Farads, de symbole F). En électronique, on parle souvent de microfarad (uF) ou nanofarad (nF). Le Farad est une unité très grande ! On peut comparer le condensateur à un seau que l’on remplit ou que l’on vide : le condensateur est capable d’absorber ou de restituer de l’énergie. A la différence des accumulateurs, aucune réaction chimique ne se produit dans le condensateur. Ceci permet un nombre de charges et décharges plus bien grand, quasiment infini si l’échauffement du condensateur reste faible. On peut former un condensateur en approchant deux plaques métalliques l’une de l’autre, et en fonction de la surface des plaques (surface en regard), la valeur de la capacité peut être ajustée. L’isolant joue aussi un rôle, le papier paraffiné ayant fait un succès historique en la matière. Le calcul de la capacité s’écrit de la façon suivante :       εo : permittivité du vide (8.84 10e-12). Ce coefficient traduit le caractère isolant du vide. Aussi paradoxal que cela puisse paraître, cette constante caractérise le vide (comme la vitesse de la lumière).εr : permittivité relative. Ce coefficient montre par combien l’isolant considéré multiplie la capacité par rapport au vide. Le papier paraffiné a une valeur très grande.A : surface des armatures en regard (m²)d : distance entre les armatures (m) 

La mise en pratique peut être limitée par plusieurs facteurs : la tolérance, la polarité, la réponse en fréquence. Deux grandes familles de condensateurs existent : les chimiques et les céramiques.   Les chimiques ont de fortes valeurs de capacité (1uF à 10 000uF couramment) alors que les céramiques ont des valeurs entre le picofarad (pF) et le microfarad. En pratique, le condensateur chimique a une durée de vie liée à la température que le fabricant précise (exemple : 2000 heures à 85°C). A des températures inférieures, la durée de vie augmente considérablement. A titre indicatif, les grosses valeurs de capacité servent pour lisser des tensions d'alimentation (stockage d'énergie), alors que les faibles valeurs servent à atténuer sélectivement des fréquences (filtres) ou à laisser passer un signal entre deux étages d'un circuit (condensateur de liaison).   La tolérance   Les chimiques, de forme cylindrique, ont une tolérance importante qui peut aller jusqu'à -20%/+80%. Par exemple, un modèle de 1000uF peut varier entre 800uF et 1800uF pour un composant donné. Les céramiques ont des tolérances bien meilleures, 5 à 10%.   La polarité   La plupart des chimiques sont polarisés. La polarité doit être impérativement respectée, sous risque de dommage irréversible ou d'explosion ! La borne négative est repérée par une large bande sur le côté du composant. On ne doit en aucun cas non plus dépasser la tension maximale indiquée (6.3V, 10V, 35V, 63V, etc). Astuce : si on souhaite réaliser un condensateur de forte valeur, on peut associer deux chimiques en série, le + sur le +, ou le - sur le -. En revanche, les céramiques ne sont pas polarisés. Ils sont ainsi très adaptés aux signaux alternatifs (filtrage, couplage). Réponse en fréquence   Les condensateurs chimiques ont un bon comportement jusqu'à une certaine fréquence au delà de laquelle leur caractère inductif devient prépondérant. Par ailleurs, leur résistance série (ESR, en Anglais : effective series resistance) limite le courant d'ondulation (charge et décharge) à cause de l'échauffement. Si ils sont adaptés pour le lissage de la tension dans des alimentations classiques à pont redresseur, ils ne conviennent guère à des fréquences supérieures à quelques dizaines de kHz. Les condensateurs céramiques prendront le relais.   Astuce : mettre en parallèle différents modèles avec un rapport de 1000 entre les valeurs utilisées. Exemple : si on souhaite mettre 100uF chimique, on pourra placer en parallèle 100nF céramique. Les alimentations des circuits intégrés utilisent souvent cette méthode, en plaçant le condensateur de faible valeur au plus près du composant (voir ci dessous)   Par ailleurs, il est possible de connecter en série ou en parallèle des condensateurs, de même que les résistances.

De même que les résistances, les condensateurs peuvent se mettre en série et en parallèle. Cependant, les formules sont inversées.   Condensateurs en série Les capacités de deux condensateurs en série répondent à la même loi que les résistances en parallèle.               La capacité équivalente sera ainsi plus faible, mais avec l'avantage de supporter une tension supérieure. Par exemple, si on souhaite une capacité supportant 70V, on pourra placer deux modèles 35V en série :   La capacité équivalente sera alors de 500uF/70V. Exemple d'application : redressement du triphasé 400V. Les modèles 400V sont largement répandus dans les alimentations à découpage classiques. Cependant, pour redresser le triphasé, la tension continue redressée atteint 560V. En connectant deux condensateurs 400V en série, le condensateur équivalent supportera 800V. On peut placer en parallèle sur chaque condensateur une résistance de même valeur pour équilibrer le point milieu entre les deux composants. La résistance devra supporter la tension maximale possible et aura une forte valeur pour limiter la dissipation (220kOhm à 1MOhm à titre indicatif).     Condensateurs en parallèle Les capacités de condensateurs en parallèle s'additionnent, comme les résistances en série. On forme donc une capacité plus grande : intuitivement le réservoir d'énergie est plus grand. Exemple d'application : alimentation d'ampli audio. On souhaite une capacité de 10 000uF/50V. On pourra placer deux 4700uF/50V en parallèle (9400uF). Ceci sera plus avantageux qu'un modèle unique de 10 000uF qui sera plus difficile à trouver, plus cher et moins performant en résistance série (courant d'ondulation maximal autorisé).   Remarque sur les alimentations : il arrive qu'on place un condensateur 100nF en parallèle avec un 100uF. Ceci forme 100.1uF, ce qui, en terme de capacité totale, est négligeable. En revanche, cette technique assure une meilleure réponse aux hautes fréquences (voir application du condensateur).

La plupart des applications électroniques nécessitent une tension d'alimentation continue. Pour redresser une tension alternative (secteur ou secondaire d'un transfo), on utilise un pont de Graetz (double alternance). On obtient alors la valeur absolue d'un sinus. Pour lisser cette tension, on utilise un condensateur de filtrage qui assure une réserve d'énergie lorsque la tension issue du pont de Graetz devient faible. C'est alors lui qui alimente seul le circuit.   Ci contre, le schéma du redressement de la tension avec le pont de Graetz et le condensateur de filtrage. La tension continue V (en Volts) qu'on obtient vaut alors : V = 1.41*Veff - 1.4 C'est à dire la tension efficace multipliée par racine de 2, à quoi on soustrait 1.4V pour les deux tensions de seuil des diodes.         On peut observer la tension de sortie pour différentes valeurs de condensateur. On suppose que le courant consommé sur la sortie est constant. Plus le condensateur est important, moins la tension chute entre deux crêtes. Le condensateur sera ainsi un compromis entre faible ondulation d'une part, prix et encombrement d'autre part. Pour une ondulation Vond autorisée, la capacité minimale à prendre se calcule ainsi : C = I.T/Vond C : capacité minimale à choisir (prendre la valeur normalisée supérieure en tenant compte de la tolérance) I : courant consommé sur +V (en A) T : période du signal (10ms dans le cas du pont de Graetz) Vond : ondulation crête à crête autorisée.   Remarque : cette formule se base sur un temps de décharge égal à la durée entre deux "crêtes". En réalité, le temps de décharge est un peu plus court puisque la durée entre deux crêtes comprend aussi le temps de charge. Cette formule estime donc le pire cas (temps de décharge de 10ms).   Appels de courant sur le secteur Le temps de charge est court par rapport à la période, ce qui crée un appel de courant sur le secteur. Ces pointes de courant ont lieu sur le "sommet" de l'alternance secteur et sont en pratique atténuées par divers facteurs: - résistance série des enroulements du transfo - résistance interne des diodes de redressements - résistance de sortie du secteur (très dépendant du lieu de travail), de l'ordre de l'Ohm.   En conséquence, la tension secteur a tendance à s'aplatir lorsqu'on connecte des alimentations de ce type et de forte puissance. Ce type de fonctionnement se trouve dans toutes les alimentations à découpage (PC, chargeurs, TV, etc) et alimentations à transfos (amplis audio, transfo de lampe halogène). C'est un pont critique pour le réseau électrique.

Un montage électronique est souvent constitué de différents étages dont les sorties sont connectées aux entrées des suivants. Un étage électronique est une partie qui fonctionne avec une tension de polarisation (tension continue utile au fonctionnement des composants). Les tensions de polarisation de deux étages successifs ne doivent pas se mélanger. En revanche, le signal alternatif issu d'un étage doit passer vers l'étage suivant. C'est là que le condensateur de liaison intervient.                                     Le condensateur de liaison bloque les tensions de polarisation (continues) mais laisse passer les variations dynamiques (signal). Sa capacité doit être suffisante pour ne pas atténuer les plus basses fréquences du signal à transmettre. On voit ci dessus un montage à transistor avec deux condensateurs de liaison.

L'inductance est un dipôle électronique qui a la propriété de stocker de l'énergie magnétique lorsqu'il est traversé par un courant, de même que le condensateur stocke de l'énergie lorsqu'il y a une tension à ses bornes. Le bobinage plonge alors dans son propre champ magnétique. Son comportement électrique s'oppose aux variations de courant le traversant. Lorsque le courant qui traverse l'inductance varie, il apparait une tension u à ses bornes :u = L.di/dtdi/dt est la dérivée du courant dans le temps. L est l'inductance (mesurée en Henry, de symbole H). u est la tension instantanée aux bornes de l'inductance   Remarque : La formule u = -Ldi/dt insiste sur l'opposition aux variations de courant que présente l'inductance L. C'est, en quelque sorte, un point de vue pédagogique. On constate que le courant est une fonction continue du temps, sinon la tension aurait des valeurs transitoires infinies ! Le courant dans une inductance ne peut donc être rompu brutalement.L'inductance en tant que composant électronique est un abus de langage, de même que la résistance. On devrait parler de bobinage inductif par exemple. Dans la pratique, on parle souvent d'inductance ou de "self" (autoinduction). Les inductances existent en composants traditionnels ou CMS.On peut aussi créer des inductances de faible valeur pour bloquer des parasites hautes fréquences plaçant un cylindre de ferrite autour d'un fil. On en trouve dans les câbles d'alimentations des périphériques de PC par exemple (moulés dans du plastique).                   Ferrite ou pas ? Il existe deux grandes familles d'inductances : les inductances à air et les inductances à noyau magnétique Les inductances à air ne sont concrètement constituées que de fil de cuivre bobiné. On en trouve dans les filtres radio, dans les tuners de télévision ou dans les filtres audio (enceintes acoustiques). Les valeurs d'inductance sont plus faibles qu'avec un noyau magnétique, mais le comportement est plus proche de l'idéalité en terme de saturation et bande passante.   Les inductances à noyau magnétique ont des valeurs bien plus élevées à encombrement constant. Cependant, leurs défauts sont plus faciles à mettre en évidence. On utilise le fer en tôles superposées pour les basses fréquences (50Hz à 400Hz principalement) et les ferrites pour les fréquences supérieures. Le type de ferrite optimise la bande passante. Inductance idéaleL'inductance idéale n'a ni de résistance série (due aux enroulements de fil), ni de capacité parasite (due à la proximité des enroulements entre eux). De plus, la valeur de l'inductance idéale ne varie pas en fonction du courant qui la traverse (saturation). C'est un composant qui ne dissipe pas d'énergie. La mise en pratique doit prendre en compte les défauts du composant.

L'utilisation des inductances est limitée par différents facteurs :Résistance sérieLes inductances sont constituées d'un fil bobiné. La longueur de ce fil (de cuivre) crée une résistance non négligeable. Le modèle consiste donc à placer cette résistance en série avec l'inductance idéale. Cette résistance peut se mesurer en courant continu, c'est à dire quand l'inductance ne joue aucun rôle. Les datasheets appellent cette résistance DCR (direct current resistance).La résistance série est à prendre en compte pour les inductances à air et à noyau magnétique. Remarque : dans la pratique, la résistance série augmente avec l'inductance pour une famille de composants donnée (fil plus long et/ou plus fin), et réduit avec la taille du composant pour une inductance donnée (plus gros fil). Limitation pour l'utilisationLa résistance série DCR crée l'autoéchauffement du composant. Le datasheet indique le courant maximal supporté par l'inductance. HystérésisLe cycle de magnétisation d'une inductance à noyau magnétique (fer, ferrite) crée une perte énergétique lors d'un cycle. Les pertes sont ainsi proportionnelles à la fréquence. On peut modéliser ces pertes comme une résistance série supplémentaire. Un échauffement du matériau magnétique se produit alors.Capacité parasiteChaque spire étant proche d'une spire voisine, il se crée une capacité parasite en parallèle avec l'inductance. L'impédance de l'inductance chute au delà de la fréquence de résonance LC parce que la capacité parasite devient prépondérante.SaturationImaginons que la ferrite soit composée de petits aimants microscopiques dont les aimantations sont réparties de façon aléatoires. Lorsque la ferrite se magnétise sous l'effet d'un courant dans l'inductance, les petits aimants s'orientent progressivement dans un sens donné. Au delà d'un certain courant, les petits aimants sont tous orientés dans le même sens et le matériau ne peut pas, à l'échelle macroscopique, s'aimanter davantage. Il ne peut contenir davantage d'énergie : c'est la saturation.Limitation pour l'utilisationAu delà d'un courant limite, appelé courant de saturation, la ferrite sature et l'inductance chute très fort. C'est à dire que le courant peut augmenter considérablement et détruire des composants. Le courant de saturation, indiqué dans le datasheet, ne doit donc pas être dépassé. Autour de la saturation, la variation de l'inductance est progressive. Le courant de saturation doit donc être défini comme le courant où l'inductance a chuté de x pourcent.  Résumé des contraintes :Courant maximum instantané limité par :- résistance série (DCR)- saturation. Fréquence d'utilisation limitée par :- hystérésis- capacité parasiteBien sûr, on n'oubliera pas le prix et l'encombrement.Développement de cartes : pour réaliser un circuit imprimé, l'usage est de ne pas faire passer de piste sous une inductance (interférence piste/inductance à éviter). 

Les inductances s'associent en parallèle et en série comme les résistances (voir article sur le site).Pour que cela soit tout à fait vrai, aucun couplage magnétique ne doit avoir lieu entre deux inductances, c'est à dire qu'une distance suffisante doit être respectée entre elles.

La cuisine à induction repose sur l'échauffement de la casserole ou de la poêle dûs aux courants de Foucault induits par le champ magnétique alternatif produit par une puissante inductance qui se trouve juste sous la plaque de cuisson. Un circuit de puissance spécifique convertit le 50Hz en un signal alternatif de haute fréquence (quelques dizaines de kHz) pour alimenter l'inductance. Il peut être constitué d'une structure en demi pont à deux hacheurs IGBT comme dans les alimentations à découpage de forte puissance. Les puissances mise en jeu sont de l'ordre du kVA.Ci contre, le détail d'une plaque à induction démontée.La chaleur pour la cuisson est directement créée au sein de la casserole et non transférée depuis l'extérieur (gaz, plaque électrique).

Il arrive que des systèmes électroniques souhaitent communiquer entre eux par une liaison à deux fils. Un fil est le fil de masse tandis que l'autre doit porter l'information et le signal à la fois. L'idée consiste donc à superposer signal et alimentation. Ce principe est utilisé dans la téléphonie et les bus de terrain dans la domotique.   Principe pour le bus de terrain EIB                     Pour transmettre un bit, une impulsion de +/-5V peuvt être émise par un produit sur sa ligne d'alimentation (30V). C'est un standard du bus EIB. Pour ce faire, l'alimentation doit présenter une haute impédance de sortie à la fréquence du signal, de sorte que la modulation puisse exister. L'alimentation, en revanche doit présenter une basse impédance de sortie en continu pour garantir une tension stable pour diverses consommations (nombre de produits connectés pouvant varier selon les installations). Le principe consiste en fait à placer une inductance en série avec l'alimentation (l'alimentation + l'inductance forment un ensemble). La partie supérieure de l'impulsion est d'ailleurs liée à la restitution de l'énergie emmagasinée dans l'inductance durant la moitié basse de l'impulsion (l'émission d'un signal consiste en un appel de courant). On remarquera que l'impédance d'entrée d'un produit doit être élevée aux fréquences des signaux.   Principe dans la téléphonie Les impulsions électriques qui circulent sur les lignes téléphoniques analogiques sont d'une centaine de volts pour exciter la sonnerie mécanique. Aujourd'hui, même si les sonneries sont électroniques (haut parleur), l'amplitude ne peut être réduite parce que les modèles analogiques doivent être encore compatibles. Une inductance est aussi placée en série avec l'alimentation 48V du téléphone. Les signaux véhiculés sur la ligne d'alimentation 48V sont "portés" sur l'alimentation par des capacités de liaison (voir article sur le site).

La diode: Description et définitionLa diode est un composant électronique qui ne laisse passer le courant que dans un sens. C'est le sens passant, ou direct. Le sens où aucun courant ne passe est le sens bloqué, ou inverse. C'est donc un composant polarisé.Son symbole est le suivant :             Lorsque le courant va de l'anode vers la cathode, c'est le sens passant. La diode se comporte idéalement comme un fil. Dans le sens inverse, c'est un interrupteur ouvert. Pour retenir où se trouve la cathode, on peut voir un "K" dans le symbole qui fait penser à "ca - thode".             Différents modèles de la diode peuvent être utilisés selon la précision souhaitée. Les 4 modèles sont valables en régime établi, et ne tiennent pas compte des capacités parasites (parallèles). Ces capacités limitent l'utilisation à haute fréquence et permettent de décrire les temps de commutation et l'énergie perdue à la commutation.   Modèle idéalSens passant : la diode est un fil (tension nulle)Sens bloqué : la diode est un circuit ouvert (courant nul)Modèle avec tension de seuilSens passant : la diode crée une chute de tension de 0.6V (valeur ne dépendant pas du courant)Modèle affineSens passant : la chute de tension est une fonction affine du courant direct.Modèle exponentielSens passant : la chute de tension aux bornes de la diode est une fonction du courant direct.Ces 4 modèles sont classés du plus grossier au plus précis.   Modèle idéal : simple, qualitatif, permet de comprendre vite un schéma électronique   Modèle avec tension de seuil : évaluer les chutes de tension aux bornes des diodes. On peut modéliser la diode passante comme un générateur de tension de 0.6V (ou 0.7V selon les auteurs...).   Modèle affine : on peut modéliser la diode comme un générateur de tension de 0.6V en série avec une résistance (résistance des contacts métal-silicium au sein de la diode). Ceci décrit l'augmentation de la chute de tension quand le courant augmente. Ce modèle est valable aux courants élevés.   Modèle exponentiel : ce modèle est à utiliser lorsque le courant est faible et que le point de fonctionnement se trouve dans le "coude". On remarque la forte variation de pente dans ce coude (variation de résistance dynamique). Aux forts courants, c'est le modèle affine qui est prépondérant (la résistance dynamique de la jonction PN devient faible face à la résistance des contacts). Pour étudier qualitativement le comportement d'un circuit, le modèle idéal suffit dans le cas de la commutation. La tension de seuil est souvent utilisée pour évaluer des pertes énergétiques ou des chutes de tension. Le modèle affine est un peu plus précis. Le modèle exponentiel est surtout utile quand on est dans le "coude".  

En pratique, on repère la cathode à l'anneau sur le composant de forme cylindrique :   Sur la photo, les 3 cathodes sont sur la droite du composant (1N4148,1N4001, BYG21). Les contraintes pour utiliser une diode peuvent être :- tension inverse maximale (Vrrm)- courant direct maximal (If)- puissance à dissiper- temps de commutationLes principales applications des diodes sont :- redressement 50HzLe temps de commutation n'est pas critique, en revanche les trois autres contraintes citées plus haut sont importantes.- redressement de puissance à haute fréquenceLes quatre contraintes sont importantes. C'est le cas d'alimentations à découpage qui délivrent une tension continue.- signaltemps de commutation, tension inverse maximaleEn pratique, on pourra choisir différents types de diodes selon les applications :Diode SchottkyLa diode Schottky présente une tension directe plus faible (0.2V au lieu de 0.6V ou 0.7V) et un temps de commutation très rapide mais les diodes Schottky supportant plus de 100V sont rares. Par ailleurs, le courant de fuite inverse n'est pas négligeable (du uA au mA) et augmente beaucoup avec la température.La diode Schottky est adaptée au redressement dans les alims à découpage où un fort courant est demandé. A très faible courant de sortie, le courant inverse de la Schottky crée des pertes qui réduisent le rendement de l'alimentation et rendent ainsi la Schottky moins attractive. Les pertes de conduction (tension directe) sont significatives pour des tensions de sorties faibles (3.3V par exemple).Diode standardAncienne et économique, la diode à jonction PN classique est idéale pour le redressement du 50Hz (secteur ou secondaire de transfo 50Hz). Les séries 1N400x (1A) ou 1N540x (3A) sont très connues, de même que pour le signal, la 1N4148, adaptée en LL4148 ou TS4148 pour le montage CMS.   Diode rapide Il existe des diodes supportant des centaines de volts tout en étant rapides et ainsi adaptées aux alimentations à découpage. Ces diodes s'appellent "fast recovery" ou "ultra fast recovery". Leur chute de tension est voisine des diodes standard, mais pour les tensions élevées (50V à 500V par exemple), la perte énergétique que constitue la chute de tension reste négligeable. Les séries BYV ou MUR sont utilisées dans le domaine. Le temps de recouvrement (recovery time) est un paramètre critique pour les hautes fréquences.Diode zenerLa diode zener est abordée dans les articles "La diode zener".   Diode électroluminescente (LED) La diode électroluminescente est abordée dans les articles "La diode électroluminescente".

Est-il possible de mettre en parallèle des diodes ?               Oui, mais avec prudence ! Deux diodes auront toujours des propriétés un peu différentes. L'idée est de répartir un courant en deux diodes par exemple. Imaginons une différence de 30mV pour les tensions de seuils. Cela peut paraître beaucoup, mais la dérive thermique de 2mV/°C montre qu'on atteint une telle différence avec 15°C d'écart entre les deux diodes. Dans ce cas, une des deux diodes peut devoir supporter 50% de courant supplémentaire par rapport à l'autre. Par exemple, un courant total de 10A se répartira en 4A et 6A. Cette condition est instable, la diode supportant le plus fort courant s'échauffera, sera traversée par un courant encore plus grand qui l'échauffera : c'est un cercle vicieux. On peut donc dire que si on met deux diodes de 1A en parallèle, en tenant compte des déséquilibres possibles, le courant total ne devra excéder 1.5A par exemple.                       Cependant, il existe des diodes de puissance en boitier à 3 pattes (TO220, TO3P) où il y a deux diodes. L'écart thermique est ainsi très réduit et on peut dans ce cas mettre les deux diodes en parallèle, pour peu que leurs connexions internes soient à anode ou cathode commune, et non en série.   Ci contre un modèle à cathode commune (type BYV32). Les pattes 1 et 3 seront connectées ensemble pour mettre en parallèle les deux diodes.   Pour l'utilisation à haute fréquence (alimentations à découpage), la mise en parallèle peut améliorer les pertes de conduction (chute de tension un peu plus faible dans 2 diodes en parallèle) aux courants de sortie élevés, mais augmentera la capacité parasite et donc les pertes de commutation qui sont essentielles aux faibles courants de sortie.

De nombreuses applications électroniques nécessitent une tension d'alimentation continue. Pour convertir une tension alternative en tension continue, on utilise un pont de diodes, appelé pont de Graetz.                       Le pont de Graetz est formé de 4 diodes. Il y a deux entrées où doit arriver la tension alternative (secondaire d'un transfo ou secteur) et les sorties "+" et "-" où sort la tension continue. En fait, cette tension n'est pas continue, mais elle est de signe constant. A l'oscilloscope, on voit la fonction "valeur absolue d'un sinus". Un condensateur de filtrage est souvent ajouté entre le "+" et le "-" du pont pour lisser la tension (voir article "Le condensateur: condensateur de filtrage").   Principe de fonctionnement Deux cas sont à envisager selon le signe de la tension alternative d'entrée.                             Dans le cas où la tension d'entrée est positive, D1 et D4 sont passantes. D2 et D3 sont bloquées. Le courant traverse la résistance (qui représente la charge) de haut en bas, du "+" vers le "-".                           Dans le cas où la tension d'entrée est négative, D2 et D3 sont passantes. D1 et D4 sont bloquées. Le courant traverse de même la résistance (qui représente la charge) de haut en bas, du "+" vers le "-". Le sens du courant dans la résistance est donc constant, c'est le rôle du pont de Graetz.   Avantages du pont : - Mise à profit des deux alternances de la tension, contrairement à une simple diode - Tension inverse maximale Vmax (et non 2.Vmax comme une simple diode)   Inconvénients du pont : - Chute de tension de 1.4V au lieu de 0.7V (diode simple) problématique si la tension à redresser est faible. - Tension de sortie non réglable (= 1.41 x Veff - 1.4) - Pointes de courants si un condensateur de filtrage est utilisé.   Exemple Pour redresser le secteur 230V, le pont doit supporter au minimum 1.41 x 230V = 320V par diode. Avec condensateur de filtrage, la tension sera de 320V continus. De même quand on redresse le secondaire d'un transfo 12V (12V efficaces), on obtient 1.41x12 - 1.4 = 15.5V. La tension de sortie sera alors de 15.5V et non de 12V.

On peut utiliser les diodes pour mettre en cascade des étages "diode-condensateur". Chaque condensateur se charge et au bout du circuit, on obtient un multiple de la tension crête d'entrée. C'est un multiplieur de tension, également connu comme "pompe de charge" ou "élévateur de tension de Greinacher".                 En 1914, Heinrich Greinacher découvre le doubleur de tension (multiplieur à 2 étages) qui crée une tension de 300V continus à partir du secteur 110V alternatifs.La tension continue n'est pas isolée de l'entrée. On peut ajouter des étages et former une tension plus élevée (quelques kV !) :                             La tension peut être positive ou négative, selon le sens des diodes.   Applications : tensions continues élevées, pour l'ionisation de l'air par exemple. On peut obtenir 6kV et une légère lumière bleutée à l'extrêmité du fil sous haute tension (choisir des diodes 1N4007 et des condensateurs 3.3nF/630V et faire une trentaine d'étages)...   Enfin, on peut aussi partir d'une tension d'entrée continue, la hacher avec un transistor et utiliser le même système. On réalise ainsi un convertisseur DC/DC élévateur, mais, contrairement aux alimentations à découpage Boost, aucune inductance n'est utilisée. Des circuits intégrés spécifiques existent pour réaliser une telle alimentation ("Charge Pump DC DC converter", comme le MAX1610, TC962CPA, ...).

Pour comprendre l'utilité de la diode de roue libre, il faut se souvenir de la continuité du courant dans une inductance (bobine de relais par exemple). Cela signifie que le courant dans une inductance ne peut pas être coupé brutalement sinon une surtension dangereuse apparait (di/dt trop grand).     La diode de roue libre se place en parallèle avec l'inductance (voir ci contre).   Dans la phase où l'interrupteur (transistor) est fermé, le courant s'établit dans l'inductance et est limité par sa résistance série. A l'ouverture de l'interrupteur, le continuité du courant impose le passage dans la diode de roue libre(figure de droite). Le courant décroit alors progressivement dans cette boucle et finit par s'annuler.   Un nouveau cycle peut commencer.       Mieux comprendre... A l'ouverture de l'interrupteur, la tension Va à l'anode de la diode augmente brutalement à cause de l'inductance. Cette tension augmente jusqu'à ce que le courant puisse "passer quelque part". Il trouve alors comme chemin la diode de roue libre. Si cette diode est absente, la tension Va augmente encore et sera limitée par les capacités parasites vues depuis Va (capacité de la jonction Collecteur-Emetteur du transistor, pistes du circuit, capacité intrabobinage). Il apparaît des oscillations amorties. On peut aussi dire que l'énergie de la bobine est transférée vers cette capacité parasite qui limite la surtension.   La décroissance du courant est liée à deux choses : la résistance série de la bobine définissant une constante de temps L/R, et la tension aux bornes de la diode. En effet, dans le cas d'une inductance idéale, la décroissance du courant (A/s) se fait à la vitesse VAK/L, avec VAK la tension aux bornes de la diode (0.7V). On peut ainsi accélérer la décroissance du courant en ajoutant une diode zener pour augmenter VAK artificiellement. Le transistor interrupteur devra supporter ce supplément de tension.   En pratique La diode de roue libre est surtout utilisée par les électroniciens pour commuter des relais. On peut choisir la diode très connue 1N4148, adaptée en LL4148 ou TS4148 (composant CMS). Elle supporte 75V, ce qui suffit pour des relais 12V et 24V.   Conclusion La diode de roue libre protège le transistor contre des surtensions destructices.

Transformateur idéal Dans la plupart des alimentations branchées sur le secteur, un transformateur est présent. Son rôle est d'assurer l'isolation électrique tout en transférant la puissance. Pour la majorité des montages, il abaisse la tension secteur 230V en valeur compatibles avec les circuits (12V, 24V, etc).                   Ci contre, le symbole du transformateur. Celui de gauche est le plus utilisé. Les deux barres entre les deux symboles d'inductances indiquent la présence d'un matériau magnétique (fer, ferrite). On comprend aussi qu'il y a isolation électrique entre la partie gauche et la partie droite.   Principe Le transformateur est constitué d'un noyau ferromagnétique fermé réalisé avec du fer ou de la ferrite. Le bobinage qui sert d'entrée est appelé primaire, l'autre enroulement (sortie) est appelé secondaire. Le primaire est alimenté par une tension alternative (secteur dans la plupart des cas), au secondaire apparait alors une tension aussi alternative (force électromotrice induite). Si une charge (résistance qui crée un courant de sortie) est branchée sur le secondaire, il apparait un courant appelé par le primaire qui est proportionnel au courant secondaire. La puissance électrique est ainsi transférée du primaire vers le secondaire, tout en préservant l'isolation. Le transformateur est ainsi réversible. Il ne fonctionne pas avec une tension continue.   Tensions et courants primaires et secondaires Lorsque le secondaire est ouvert, aucun courant n'y circule. Il n'existe alors aucun courant primaire. Supposons qu'il y ait respectivement N1 et N2 spires au primaire et au secondaire. Appleons respectivement u1 et u2 les tensions au primaire et au secondaire. On obtient alors, pour le transformateur idéal : u2/u1 = N2/N1 Par ailleurs, aucune perte électrique n'existe dans le transformateur idéal. Les courants primaire i1 et secondaire i2 sont tels que : i1/i2 = u2/u1 Le rapport des courants est l'inverse du rapport des tensions. On peut encore dire qu'il y a conservation de la puissance : u1.i1 = u2.i2 On note, selon les ouvrages, le rapport des tensions : k = u2/u1 ou m = u1/u2   Exemple :   Le secondaire d'un transformateur (idéal) 230V vers 12V est connecté sur une résistance de 6 Ohm. Quel est le courant primaire ?                 Réponse Le courant secondaire i2 (loi d'Ohm) vaut : i2 = 12/6 = 2A Maintenant, on calcule le courant primaire : i1/i2 = u2/u1 D'où : i1 = i2.u2/u1 i1 = 2 x 12 / 230 = 0.104A Le courant primaire vaut 104mA. Le courant appelé sur la prise de courant est ainsi bien plus faible que 2A.

Pointage des enroulements Un transformateur fonctionne avec une tension alternative. Chaque enroulement possède à ses bornes une tension proportionnelle à celle des autres enroulements. Il est parfois nécessaire de connaître la polarité de la tension instantanée aux bornes des enroulements. Les extrémités de polarité identique sont munies d'un point sur le symbole.     Ci contre, le point situé "en haut" des deux bobinages indique que les tensions u1 et u2 sont de même polarité. Si, à un instant t fixé, u1 est positive, u2 sera aussi positive. Les deux points auraient aussi pu être placés en bas Ci contre, les points sont inversés. u3 et u4 sont de polarité contraire. Si, à un instant t fixé, u3 est positive, u4 sera négative.           Exemple Il arrive qu'un transformateur ait plusieurs bobinages secondaires. On peut les mettre en série, mais attention à la polarité.   On souhaite créer une tension de 24V pour alimenter une ampoule 24V. Pour cela, on dispose d'un transformateur à deux secondaires (20V et 4V). On met en série ces deux secondaires, mais en respectant les polarités (avec les points, voir ci contre). On obtient ainsi 20V+4V=24V. Si on se trompe, on obtiendrait 20V-4V=16V.   Note : On peut en effet additionner les valeurs efficaces (ou crête) parce que les tensions instantanées sont proportionnelles entre elles. La tension sinusoïdale n'est qu'un cas particulier. La polarité de l'enroulement primaire 230V ne joue pas.   Pour ceux qui n'ont toujours pas compris...     On peut se représenter le point sur un bobinage comme le "+" d'une pile. On voit ci contre deux piles en série : 5V + 2V = 7V (à gauche) 5V - 2V = 3V (à droite)

Dans la pratique, les enroulements en cuivre ont une résistance électrique non nulle. On peut modéliser ces résistances de la façon suivante :   Le primaire possède une résistance série R1. Le secondaire possède une résistance série R2. Si le transformateur abaisse la tension, il y a moins de spires au secondaire qu'au primaire, et pour laisser passer un courant plus fort, le fil de cuivre utilisé est plus gros. Mais quel est le rapport optimal ?       Calcul de la résistance de sortie   La chute de tension secondaire est liée aux deux résistances R1 et R2.   La tension U1 (à l'entrée du transformateur idéal) vaut la tension d'entrée Ue amputée de la chute de tension aux bornes de R1 : U1 = Ue - R1.i1 Le courant i1 vaut : i1 = k.i2 (k On a donc : U1 = Ue - R1.k.i2 Ensuite, on calcule la tension U2 (U2 étant U1 diminuée par le rapport de transformation k) U2 = k.U1   Pour faire apparaître la chute de tension liée à R1, on explicite le terme U1 : U2 = k(Ue - R1.k.i2) U2 = K.Ue - k².R1.i2   Si R2 est nulle, le secondaire du transformateur apparait comme une source de tension idéale k.Ue en série avec une résistance qui vaut k².R1.   k².R1 est la résistance du primaire, mais "vue" depuis le secondaire. La valeur de la résistance du primaire est ainsi très fortement diminuée d'un point de vue apparent pour un transformateur abaisseur. On ajoute ensuite la résistance série du secondaire sans calcul supplémentaire. La résistance de sortie Rs vaut donc : Rs = k².R1 + R2 Les deux schémas ci contre sont donc équivalents.           Exemple Un transformateur 230V vers 24V possède une résistance primaire R1 de 10 Ohm et une résistance secondaire R2 de 0.15 Ohm. Quelle est la résistance de sortie Rs vue depuis le secondaire ?             Réponse On calcule k = u2/u1 = 24/230. Rs = k².R1 + R2 Rs = (24/230)².10 + 0.15 = 0.26 Ohm   Note : la résistance du primaire vue du secondaire vaut environ 0.11Ohm. Elle est du même ordre de grandeur que R2 (0.15Ohm). La valeur de Rs permet de calculer l'effet Joule total dissipé par les deux bobinages : Rs.I2²

Le transformateur réel présente un autre défaut : l'inductance de fuite.   Le circuit magnétique d'un transformateur ne canalise pas tout à fait la totalité du champ magnétique créé par l'enroulement alimenté. En d'autres termes, des lignes de champ magnétique "fuient" en dehors du transformateur et ne sont pas exploitées par un autre enroulement. On peut aussi dire qu'une certaine énergie magnétique existe à proximité du transformateur (dans l'air) et que cette énergie est liée au courant qui circule dans l'enroulement. Le modèle électrique consiste donc à placer une inductance (l'inductance de fuite) en série avec le bobinage.                   Ci dessus, le modèle des indutances de fuite du primaire (L1) et du secondaire (L2). De même que pour les résistances série, on peut ramener L1 au secondaire, en la multipliant par k².   On a donc une seule inductance de fuite de valeur k².L1 + L2. L'inductance de fuite s'ajoute en série à la résistance série.   Dans les alimentations à découpage, l'inductance de fuite est critique parce qu'elle génère des surtensions lors de la rupture des courants dans le transformateur. Un circuit snubber (RC série) doit être calculé puis placé en parallèle avec l'enroulement pour absorber ces surtensions ou bien le transistor hacheur doit pouvoir supporter une tension plus importante (Vds ou Vce plus élevé).

Le transformateur réel présente un dernier défaut principal: l'inductance magnétisante.   Cette fois-ci, on suppose que le secondaire est ouvert. En principe, aucun courant primaire n'existe. Cela signifie que le primaire présente une impédance infinie, soit encore que l'inductance formée par le bobinage primaire est infinie ! En réalité, un certain courant circule dans le primaire. Le modèle électrique consiste donc à placer une inductance (l'inductance magnétisante) en parallèle avec le bobinage. L'usage consiste à placer l'inductance magnétisante côté primaire.   De plus, les pertes par hystérésis dans le matériau ferromagnétique se modélisent comme une résistance (dissipation d'énergie). Le modèle électrique consiste donc à placer une résistance Rf en parallèle avec le bobinage.       La présence de Rf et Lm indiquent le courant minimal qui circule dans le primaire d'un transformateur réel. Ce courant doit être faible devant le courant qui peut être appelé dans le primaire.           Discussion sur le nombre de spires Si on possède un transformateur qui divise par 10 la tension (230V vers 23V), on peut constater qu'il y a, par exemple, 900 spires au primaire et 90 spires au secondaire. Si on souhaite diminuer la résistance série et ainsi augmenter le courant qui peut circuler dans les bobinages, on pourrait enlever des spires sur les deux bobinages, par exemple 800 et 80 spires, ou même pourquoi pas 10 spires et 1 spire ?   La tension se répartit sur toutes les spires de façon uniforme. Il y a donc une tension par spire. Cette tension engendre le champ magnétique dans le matériau (fer, ferrite). Or, le matériau magnétique sature au delà d'un certain champ magnétique Bmax. A ce moment, l'inductance Lm chute beaucoup, ce qui accroît le courant primaire considérablement. C'est une perte énergétique.   On peut rapprocher ce comportement d'une diode zener qui laisse passer le courant lorsque la tension à ses bornes atteint un seuil (voir l'article "diode zener"). C'est un peu comme un trop plein qui retient l'eau jusqu'à un niveau donné. On peut voir, de façon imagée, que le primaire du transformateur crée un mur magnétique, et qu'au delà d'une certaine tension (hauteur d'eau), le courant passe et déborde par dessus le mur...   Les fabricants de transformateurs prennent une marge d'environ 10 ou 20% sur le nombre de spires. On pourrait ainsi en enlever autant, mais si on diminue le nombre de spires, donc la résistance série de 10%, le courant admissible à effet Joule constant n'augmente que de 5% (Ri² constant). Ainsi, la puissance du transformateur nominale n'augmente que de 5%. En pratique, le nombre de spires minimal à bobiner sur un noyau magnétique est proportionnel à la tension maximale qui sera appliquée à ce bobinage. On fait appel à la formule de Boucherot :   U = 4,44.Bmax.N.S.f U : tension maximale autorisée (valeur efficace) Bmax : champ magnétique maximal dans le matériau (fer ou ferrite) 4,44 : constante numérique qui vaut Pi.racine(2) N : nombre de spires S : surface de section du noyau f : fréquence de fonctionnement   On remarque que pour une tension d'entrée donnée, si on augmente f, on peut diminuer N et S. Les transformateurs fonctionnant à haute fréquence sont ainsi plus petits et comportent moins de spires. C'est l'avantage principe des alimentations à découpage.

Les différents défauts (résistance série, inductance de fuite, inductance magnétisante, pertes par hystérésis) doivent être tous pris en compte pour décrire le comportement global d'un transformateur réel. On obtient ainsi le schéma suivant :                         R1 : résistance série du primaire L1 : inductance de fuite du primaire Rf : modèle des pertes ferromagnétiques par hystérésis Lm : inductance magnétisante L2 : inductance de fuite du secondaire R2 : résistance série du secondaire   En réalité, le courant im (courant consommé par le transformateur à vide) est faible devant les valeurs possibles de i1t. La chute de tension aux bornes de R1 et L1 en série est faible. Pour éviter le noeud où i1 se partage en i1t et im, on peut faire passer Rf et Lm "devant" R1 et L1. Ainsi la tension aux bornes du transformateur idéal est indépendante de Rf et Lm. Cela simplifie les calculs.   On obtient alors le schéma suivant : Rf et Lm sont placés devant R1 et L1. Pour finir, on peut ramener R1 et L1 au secondaire par le rapport de transformation k (voir article "résistance des enroulements").             On a donc le schéma simplifié :   Ci contre, le schéma équivalent avec R1 et L1 ramenées au secondaire : Rs = R2 + k².R1 Ls = L2 + k².L1 C'est ce schéma qu'on utilise pour l'étude du transformateur.

Plus un transformateur est puissant, plus il est gros, et plus ses fils sont de section épaisse et de résistance faible. La résistance série des enroulements est fonction de la puissance nominale. En mesurant à l'ohmmètre la résistance (en courant continu) du primaire, on peut se faire une idée assez précise de la puissance nominale du transformateur.     Le tableau ci contre présente les résistances primaire et secondaire en fonction de la puissance nominale. Tous les transformateurs sont toriques et ont un primaire de 230V et un secondaire de 18V. Ce sont des données constructeur à 25°C. Le rapport des résistances primaire/secondaire est assez constant. La résistance du primaire ramenée au secondaire (multipliée par (18/230)² ) est du même ordre que celle du secondaire : la répartition de la dissipation dans les deux enroulements est optimisée.   Pour un transformateur cubique, la dissipation des spires est moins optimale car les spires sont en partie enfermées dans les tôles de fer. L'effet Joule possible est moindre, le fabricant doit donc réduire la résistance série. A puissance nominale égale, le transformateur cubique aura des résistances série un peu plus faibles (10 à 20% en moins environ).     Exemple : un transformateur torique inconnu présente une résistance série de 6.5 Ohm au primaire. On en déduit d'après le tableau que sa puissance nominale est de 250VA environ.

L'autotransformateur est un cas particulier du transformateur où les deux enroulements ne forment qu'un enroulement unique. En effet, pour créer le secondaire, on exploite une partie du bobinage primaire. Ce montage abaisse la tension, mais n'isole pas la sortie de l'entrée.   Ci contre, on voit un autotransformateur abaisseur. u1 est appliquée entre a et c. La tension u2 est une fraction de la tension u1 proportionnelle au nombre de spires qui se trouvent entre b et c. Les spires entre b et c sont, en quelque sorte, des spires "secondaires". Comme le transformateur, l'autotransformateur conserve la puissance, c'est à dire que les courants à l'entrée et à la sortie (resp. i1 et i2) sont tels que u1.i1 = u2.i2         S'il est évident que les spires entre a et b sont parcourues par i1, on peut se demander quel courant pourcourt les spires entre b et c (la somme ou la différence de i1 et de i2 ?)   Les tensions u1 et u2 ont même polarité instantanée parce que u2 est une fraction de u1. Raisonnons avec u1 positive : le courant i1 "entre" par la borne a. En revanche, comme le potentiel de b est supérieur à celui de c, le courant i2 traverse la résistance de b vers c. Le courant "sort" par la borne b. C'est à dire qu'il "remonte" dans les spires de c vers b. Les courants i1 et i2 sont de signe contraire dans les spires entre b et c. Le courant réel circulant dans ces spires est donc la différence des deux courants. On peut aussi démontrer que les courants circulent en sens opposé parce que les flux d'induction créés par chaque courant sont de signe contraire.     Exemple   Un autotransformateur convertit du 240V en 80V. Le courant de sortie est fixé à 3A par une charge appropriée.   L'autotransformateur divise par 3 la tension (entrée vers sortie). Le courant d'entrée vaut donc un tiers du courant de sortie. Il vaut 1A. Dans les spires secondaires circule un courant de 2A (les deux flèches bleues). Ce courant est plus faible que le courant de sortie, donc l'effet Joule dans ces spires est réduit. Ceci est d'autant plus avantageux que la tension de sortie est proche de la tension d'entrée.   Le cas limite consiste à prendre la totalité des spires et former un autotransformateur de rapport 1. Le bobinage n'est alors traversé par aucun courant, et la puissance nominale de cet autotransformateur (inutile !) est donc infinie : aucune limitation par effet Joule n'intervient pour fixer une valeur maximale de courant de sortie.   Dimensionnement avantageux de l'autotransformateur   Le secondaire d'un autotransformateur est traversé par un courant plus faible que le courant de sortie. Les spires de diamètre réduit permettent un encombrement réduit. Dans le transformateur classique, la totalité de la puissance est transférée par le noyau magnétique, alors qu'ici, seule la partie primaire (entre a et b) est transférée vers le secondaire (entre b et c). L'autotranformateur est, à puissance nominale égale, moins encombrant et moins lourd qu'un transformateur classique. C'est un choix avantageux lorsque l'isolation électrique n'est pas nécessaire.   Remarque : On peut obtenir un autotransformateur en connectant en série (respecter la polarité !) le primaire et le secondaire d'un transformateur classique. Dans ce cas, la tension par spire sera un peu plus faible, et la puissance nominale du montage sera quelque peu augmentée...

Le transistor bipolaire est le composant actif le plus utilisé en électronique. Pour le décrire, on peut dire que son but est qu'un petit courant déclenche un grand courant. Il a trois bornes de connexions : l'émetteur, la base et le collecteur.   Emetteur : Borne commune (la masse, le retour des courants, ou la référence...) Base : Borne où le petit courant de commande intervient Collecteur : Borne où le grand courant peut passer, selon la présence du petit courant.   On peut comparer, de façon imagée, le transistor au système de tuyaux ci contre. De l'eau remplit le haut du gros tuyau (C, comme Collecteur). Elle est bloquée par le bouchon rouge.   Un petit tuyau (B, comme Base) arrive sous le bouchon rouge. L'eau de ce petit tuyau pourra soulever plus ou moins le bouchon...   Enfin, l'eau pourra s'évacuer par le bas du gros tuyau (E, comme Emetteur).                     Imaginons maintenant que de l'eau (bleue sombre) arrive par le petit tuyau. Elle soulève le bouchon rouge qui laisse alors passer l'eau qui était bloquée en haut. L'eau qui sort par le bas contient l'eau qui est entrée par le haut, mais aussi l'eau du petit tuyau. En augmentant le débit d'eau du petit tuyau, on soulève le bouchon davantage, laissant passer davantage d'eau du gros tuyau.   Un petit débit d'eau entraîne un gros débit d'eau. Le débit d'eau doit être comparé au courant.                     Ci contre, des transistors bipolaires en boitier CMS ou traditionnels. Il existe aussi des transistors de puissance, plus grands et prévus pour être montés sur un radiateur. A l'inverse, le processeur Dual Core Itanium 2 contient 1,9 milliard de transistors !

Le transistor bipolaire possède trois connexions : la base, le collecteur et l'émetteur.   Ci contre, le symbole du transistor. La flèche permet de repérer l'émetteur. Si elle "sort" du transistor, c'est un NPN, si elle "rentre", c'est un PNP. Un transistor PNP s'analyse comme un NPN, mais en inversant les signes des tensions et des courants. Pour la compréhension, on peut décomposer en deux moitiés : la partie base-émetteur et la partie collecteur-émetteur. Le raisonnement est fait avec un transistor NPN (inverser les sens pour le PNP).                 Partie "base émetteur" La jonction base-émetteur se comporte comme une diode. Quelle que soit la connexion du collecteur, cette diode est toujours passante. On peut la tester de façon fiable avec le multimètre en mode "diode". La valeur qui s'affiche doit être autour de 600mV. Si la base reçoit un courant, la tension base-émetteur Vbe s'établit autour de 600 à 700mV environ. Le courant qui traverse cette jonction (courant de base) déclenche le courant de collecteur. Comme toute diode, il lui faut quasiment toujours une résistance série pour limiter le courant.                 Partie "collecteur émetteur" La partie "collecteur émetteur" se comporte comme un interrupteur ouvert si il n'y a pas de courant de base. Le collecteur doit être connecté au potentiel le plus positif. Si il y a un courant de base, le collecteur laisse passer un courant proportionnel au courant de base (100 à 1000 fois plus élevé). Le transistor peut donc être utilisé en amplificateur ou en interrupteur. Le courant de collecteur peut être limité par le circuit extérieur, dans ce cas, il plafonne à cette valeur limite. La partie collecteur-émetteur n'offre ainsi pas de limitation de courant, elle se comporte quasiment comme un fil : c'est la saturation du transistor. A titre indicatif, la tension Vce peut alors descendre à quelques dizaines de mV, valeur bien inférieure à la tension Vbe !   Intervertir collecteur et émetteur ? Au vu de la structure NPN (alternance de semi conducteurs dopés N, P puis N), on peut se demander si on peut intervertir collecteur et émetteur. Pour que l'effet transistor joue de façon optimale, les dopages des deux régions N sont très différents, donc on ne peut pas intervertir collecteur et émetteur. Si on le fait néanmoins, le courant de base s'écoulera dans la jonction base-collecteur, mais ne déclenchera guère de courant à l'émetteur. Le gain du transistor sera peut-être de 1 ou 2 au lieu de plusieurs centaines. Par ailleurs, la jonction base-émetteur ne supporte en général que 5V inverses, ce qui est faible.

Le test au multimètre permet d'illustrer la structure NPN formée par deux jonctions.   Un certain nombre de multimètres disposent de la fonction "hfe" qui permet de tester un transistor bipolaire. Il faut respecteur les connexions et savoir si c'est un NPN ou un PNP. La valeur qui s'affiche représente le gain en courant (qui s'appelle hfe) du transistor. Ce gain est compris entre 100 et 1000 pour la plupart des transistors. Il est plus faible pour les transistors de puissance (10 à 50).   Pour les électroniciens qui n'ont pas cette fonction, ils peuvent mettre en pratique leur savoir : les deux jonctions PN internes du transistor. Pour faire le test, on choisit le mode "diode" du multimètre. Les étapes sont alors les suivantes (pour un NPN). - tester la fonction "diode" : tension nulle ou presque quand le fil rouge et le fil noir se touchent. - placer le fil rouge (+) du multimètre sur la base. Placer le fil noir (-) sur l'émetteur. Une tension doit s'afficher, par exemple 638mV. - laisser le fil rouge sur la base. Placer le fil noir (-) sur le collecteur. Une tension voisine doit s'afficher, mais un peu plus faible. La plupart des multimètres détectent cette variation. Par exemple : 636mV. Dans certains cas, la tension est identique. Cela ne veut pas forcément dire que le transistor est défectueux. - tester entre collecteur et émetteur si il y a court circuit (valeur affichée proche de 0). Si oui, le transistor est défectueux. On peut ainsi tester un transistor de façon assez fiable et même trouver les connexions d'un transistor inconnu.   Exemple d'application Un électronicien souhaite réutiliser un transistor récupéré. Il utilise la fonction diode de son multimètre et fait les 6 tests possibles. Lorsque "OL" s'affiche, cela signifie qu'il y a un circuit ouvert.   Seuls les cas a et f affichent une valeur pertinente. Dans ces deux cas, la connexion commune est le + sur la patte 3. La patte 3 est donc reliée aux deux cathodes des deux jonctions. C'est la base d'un transistor NPN.   Pour départager collecteur et émetteur, on regarde où apparait la tension la plus faible : en f. La patte 2 est donc le collecteur     On a donc : 1=émetteur, 2=collecteur, 3=base. C'est un NPN.

Le principal intérêt du transistor réside dans son amplification en courant : un petit courant de base Ib engendre un grand courant de collecteur Ic. Le rapport Ic/Ib est assez constant en fonction de la tension Vce et de la valeur de Ib. Ce gain caractérise le transistor et s'appelle "hfe" ou "bêta". Il vaut quelques centaines pour les transistors de faible puissance.   A partir de ce gain hfe, on peut dimensionner les résistances à placer autour d'un transistor pour l'utiliser en interrupteur.   Le transistor utilisé en interrupteur est en général connecté à la masse ou à l'alimentation par son émetteur. La base sert de commande et le collecteur est la borne active de l'interrupteur. Ci contre, le montage (très utilisé) collecteur ouvert.   Sur le montage de gauche : si Ve vaut 0, le transistor est bloqué et Vs vaut 5V. Si Ve vaut 5V, le transistor doit se comporter comme un fil, R doit être assez faible pour assurer un courant de base suffisant. Le montage de droite est similaire, mais avec un PNP.   Le montage ci contre peut être utilisé comme inverseur logique ou pour commander une charge Rc (pour des applications de puissance par exemple)   Calcul de R et Rc Imaginons que le courant prévu dans la charge Rc soit de 10mA. Dans ce cas, Rc = 500 Ohm. Supposons que le gain hfe du transistor soit de 200. On souhaite utiliser le transistor en interrupteur : il doit être soit saturé soit bloqué.   Etat bloqué : Ve = 0; D'où Vbe = 0 et Ib = 0. D'où Ic = hfe x 0 = 0. Etat saturé : Ic = 10mA. On calcule Ib = 10mA / 200 = 50uA   Le courant de base Ib nécessaire est de 50uA minimum. Si par exemple, il valait 40uA, Ic serait égal à 8mA, ce qui entraînerait une chute de tension dans la résistance de 8mA x 500 Ohm = 4V. La tension Vs serait de 5V-4V = 1V. Le transistor ne se comporterait alors pas comme un "fil" : il serait alors en mode "actif" (aussi appelé "linéaire"). C'est l'image du robinet qui n'est ni fermé ni grand ouvert.   On a donc Ib = 50uA min. Choisissons une marge en fixant un facteur 4 (hfe peut varier du simple au double entre deux transistors d'une même référence) : Ib = 200uA.   On étudie cette branche :   La jonction base émetteur se comporte comme une diode, d'où le modèle de droite. La tension Vbe est proche de 0.7V (tension de seuil de la diode). La tension aux bornes de R vaut 5-0.7 = 4.3V. Or R doit être traversée par un courant de 200uA. D'où : R = 4.3V/200uA = 2150 Ohm Etant donné qu'il s'agit d'un courant minimum, R devra être la valeur normalisée inférieure. On choisit R = 1.8 kOhm de la série E12.           A retenir Pour des dimensionnements rapides et assez précis, on suppose que Vbe = 0.7V quand le transistor n'est pas bloqué. Pour utiliser le transistor en interrupteur, Ib doit être supérieur à la valeur limite qui assure la saturation du transistor. Cette limite dépend de hfe mais aussi de Rc.

Dans le montage émetteur commun, l'émetteur du transistor est relié à la masse, ou à une masse dynamique réalisée par un condensateur de valeur suffisante.   Ci contre, l'émetteur du transistor est relié à la masse. L'entrée (Ve) se fait par la base, via la capacité de liaison C1, la sortie est prise sur le collecteur, via C2. La résistance R définit le courant de base pour polariser le transistor : pour obtenir la meilleure dynamique possible, le potentiel de collecteur doit valoir environ Vcc/2. Si Vcc varie (ondulation par exemple) Vs varie d'autant : il n'y a aucune réjection de l'alimentation. La valeur de R fait directement intervenir le gain hfe du transistor, donc ce montage tel quel est peu utilisable, à moins d'avoir un potentiomètre à ajuster au cas par cas.           Impédance d'entrée : résistance base-émetteur = Ut/Ib (appelée hie, h11 ou rbe selon les ouvrages). Ut = kT/q (26mV à température ambiante). Impédance de sortie : Rc. Gain en tension vs/ve en petit signal   C1 et C2 ont des impédances très faibles aux fréquences considérées. Le courant de base (petit signal) ib vaut ve/hie. Le courant collecteur ic vaut hfe.ib. Etant donné que Vcc est une masse dynamique, en petit signal, vcc=0. La tension vs vaut donc -Rc.ic = -Rc.hfe.ib = -Rc.hfe.ve/hie. Le terme hfe/hie vaut gm, la transconductance. 1/gm est parfois notée rf. Le gain en tension vs/ve vaut donc -gm.Rc.   Montage amélioré   Pour améliorer ce montage, il faut diminuer l'influence du gain du transistor sur le point de fonctionnement (statique). On ajoute Re et Ce en parallèle, et R devient R1 et R2.   Analyse statique :   R1 et R2 sont choisies pour que le courant de base soit inférieur au dixième du courant qui les traverse. Le potentiel de base est ainsi défini. Re est calculée pour fixer le courant de repos. Rc est calculée pour optimiser la dynamique ou fixer le gain. Les fréquences de coupures de C1 et C2 doivent être très inférieures aux fréquences utilisées.   Attention pour Ce : la fréquence de coupure liée à Ce n'est pas fixée par Re mais par 1/gm. La valeur de Ce est ainsi souvent plus importante que prévue initialement !   Analyse dynamique :   L'émetteur est à la masse dynamique (via Ce). Les impédances d'entrée et de sortie restent inchangées (resp. hie et Rc).   Applications Amplifier en tension un signal faible (antenne, microphone, ...)   Avantages Amplificateur simple Faible dépendance du gain hfe et de la température (dérive de Vbe) La sortie peut être court circuitée sans danger pour le montage.   Défauts Mauvaise linéarité pour des amplitudes de 100mV ou plus (distortion du signal) Impédance d'entrée faible (hie : de l'ordre de quelques kOhm) Impédance de sortie élevée (=Rc) Pas de réjection de l'alimentation !

Dans le montage collecteur commun, le collecteur du transistor est relié à l'alimentation (Vcc).   R1 et R2 forment un pont diviseur qui fixe le potentiel de base. Comme le potentiel d'émetteur est fixé (égal au potentiel de base moins Vbe), Re fixe le courant statique qui circule dans le transistor. C1 et C2 sont des condensateurs de liaison.   Analyse statique   Identique au montage émetteur commun, sauf que Rc est absente.   Analyse dynamique   Contrairement à l'émetteur commun, l'émetteur n'est plus relié à la masse. L'impédance d'entrée du montage est définie par R1//R2, pour peu que hfe.Re soit très supérieur à R1//R2. L'impédance de charge, sur Vs, doit aussi être supérieure à Re.   L'impédance de sortie vaut 1/gm, pour peu que (R1//R2)/hfe soit très inférier à 1/gm. Le gain en tension vaut sensiblement 1 : c'est pourquoi ce montage est aussi appelé "émetteur suiveur" (emitter follower). En revanche, le gain en courant dépend de la valeur de la charge RL (il vaut Zin/RL). et peut atteindre hfe.   Asymétrie de la sortie du montage Le courant qui sort par Vs est alternatif (petit signal). Or, il n'y a qu'un transistor et le courant d'émetteur ne peut pas physiquement changer de signe. En fait, le courant dans le transistor fluctue autour de sa valeur statique (fixée par R1, R2 et Re). Si par exemple, il circule un courant statique de 2mA, le courant de sortie crête (petit signal) ne peut atteindre que 2mA. Au delà de cette demande (si RL est trop faible), le transistor pourra donner, dans son alternance passante, davantage que 4mA (2mA statiques + 2mA dynamiques) mais ne pourra pas "donner" moins qu'en étant tout à fait bloqué (2mA statiques - 2mA dynamiques). L'allure du courant dans la charge devient alors asymétrique. La composante alternative du courant de sortie ne peut donc pas dépasser le courant statique dans Re. En pratique, c'est un compromis entre le courant de sortie (dynamique) et la consommation statique.   Applications Amplificateur de courant Suiveur, suiveur de puissance, étage tampon.   Avantages Montage simple Bonne linéarité (suiveur) Impédance d'entrée élevée Impédance de sortie faible   Défauts Suiveur non symétrique Consommation de courant permanente

Pour obtenir un gain en courant très elevé, on peut mettre deux transistors "l'un derrière l'autre". L'idée est d'avoir deux gains en courant successifs : c'est le montage Darlington.   Ci contre, un transistor Darlington. L'émetteur du premier arrive sur la base du second. Le Darlington peut être utilisé comme un transistor simple : Connexions : Base : base du premier Collecteur : collecteur des 2 transistors Emetteur : émetteur du second Caractéristiques : Gain = produit des gains Tension de seuil Vbe : 2x0.6V = 1.2V Un Darlington peut exister en un seul boitier, de type NPN ou PNP, de faible ou de forte puissance (BC517, TIP142, etc).       Résistance base-émetteur   En pratique, dans les Darlington (intégrés ou réalisés avec des transistors discrets), on ajoute presque toujours R2, parfois R1.   Le rôle de R2 est d'améliorer les performances du Darlington en commutation à haute fréquence. Lorsque le courant de base de T1 est coupé, T1 bloque, et la base de T2 deviendrait flottante si R2 n'était pas là. R2 permet d'accélérer le blocage de T2 en évacuant les charges résiduelles de sa base. Une valeur trop faible de R2 dévierait trop de courant et ainsi le courant de base de T2 serait réduit, réduisant ainsi le gain total du montage. Un compromis se trouve souvent entre 10 et 1000 Ohms.   De plus, à très faible courant de base, le courant d'émetteur de T1 ne crée pas une tension suffisante aux bornes de R2, ainsi T2 reste bloqué. T2, optimisé pour les courants élevés, ne fonctionne ainsi pas. Il ne se déclenche que lorsque la tension aux bornes de R2 atteint 0.6V.   Le rôle de R1 est analogue.   Le gain d'un Darlington peut varier de 500 à 10000.   Dans les Darlington intégrés, il y a souvent une diode entre l'émetteur et le collecteur (cathode au collecteur pour un NPN). Elle peut servir de roue libre lorsque la charge est inductive.

Un des principaux inconvénients du Darlington réside dans sa tension de seuil qui est le double d'un transistor simple. On peut palier ce problème avec le montage "quasi complémentaire", aussi connu sous le nom de "paire de Sziklai". Ci contre, le montage quasi complémentaire : la polarité de l'ensemble est identique à celle du premier transistor, T1. Dès que sa tension Vbe atteint 0.6V (ou -0.6V pour le PNP), il entre en conduction et déclenche ainsi la conduction de T2. Le comportement est identique à un unique transistor, de gain hfe1.hfe2 (produit des gains). On ajoute souvent de même que pour le Darlington, la résistance entre la base et l'émetteur de T2.             Dans les amplis audio, l'étage de sortie qui nécessite une paire (ou plusieurs paires en parallèle) de transistors de puissance peut être réalisé avec des Darlingtons ou des paires de Sziklai. A une certaine époque (années 1970) où les PNP de puissance étaient bien plus rares et chers que leurs homologues NPN, les étages de sorties étaient souvent constitués d'un Darlington (2x NPN) et d'une paire de Sziklai (PNP d'entrée et NPN de puissance) pour le côté PNP.       Ci contre, un étage de sortie d'ampli audio : en haut, un Darlington NPN, en bas, une paire de Sziklai avec une diode. Cette diode est parfois ajoutée pour réaliser une tension de seuil de Vbe de -1.2V, par souci de symétrie par rapport au Darlington NPN. De plus, tous les transistors de puissance NPN de ces amplis peuvent être alors identiques, au lieu d'avoir des NPN et des PNP. Ces structures sont de moins en moins utilisées, même si leur sonorité ne déplait pas, bien au contraire. Les NPN de puissance 2N3055 ou MJ15024 ont largement fait leur preuve.

La diode zener est une diode particulière qui a la propriété de laisser passer le courant à partir d'une certaine tension inverse : cette tension de seuil s'appelle la tension zener. C'est un claquage contrôlé, où le courant se stabilise et ne prend pas des valeurs destructrices, comme pour une diode classique. Son symbole est le suivant :   Dans le sens direct, son comportement est identique à une diode classique (tension de seuil de 0.6V environ)           Ci contre, la caractéristique courant tension : le quadrant en haut à droite montre un comportement de diode classique (sens direct). Le quadrant en bas à gauche montre la tension zener Vz. Une bonne "stabilité" de tension dans un montage signifie que la tension varie peu quand le courant varie. Graphiquement, la pente de la courbe doit être suffisamment raide. A cause du "coude" autour de Vz, un courant minimum doit être garanti dans la diode zener. Ce courant minimum conditionne le dimensionnement de résistances externes pour les montages.               De façon imagée, on peut comparer la diode zener à un barrage qui peut déborder.   - Tension inverse faible : pas de passage de courant (eau)   - Tension inverse plus forte, mais pas encore égale à la tension zener : toujours pas de passage de courant (le barrage est toujours bloqué)   - Le barrage déborde un peu : la différence de hauteur d'eau se stabilise et vaut environ la hauteur du barrage.   - Le barrage déborde beaucoup : la différence de hauteur d'eau n'a quasiment pas augmenté.   Conclusion : quand le barrage déborde, la différence de hauteur d'eau est peu influencée par le débit.   La diode zener peut ainsi être utilisée pour stabiliser ou écrêter une tension.

La façon la plus simple de stabiliser une tension consiste en une diode zener et une résistance série :   Pour que le montage fonctionne correctement, la tension d'entrée Ve doit être supérieure au seuil de conduction de la diode zener. Le courant iz dans la diode zener doit être supérieur au courant minimum pour garantir une bonne stabilisation (se trouver au delà du coude de la caractéristique). De plus, iz ne doit pas dépasser la valeur autorisée par la dissipation du composant (0.25W, 1.3W, etc). Dans ces conditions, on a alors : Vs = Vz .   Si on utilise une diode zener de 12V, la tension de sortie sera de 12V environ. La résistance est dimensionnée en fonction de Ve, Vs, de la puissance maximale admissible par la diode zener et du courant de sortie maximal souhaité. Le courant d'entrée ie se partage entre la charge de sortie (is) et la diode zener (iz). Plus le courant de sortie est elevé, plus le courant dans la zener est faible. Quand le montage fonctionne à vide, la dissipation thermique dans la zener est maximale.   Sensibilité à la température Les diodes zener doivent leur caractéristiques à deux phénomènes physiques : l'effet zener et l'effet d'avalanche. Pour les diodes zener inférieures à 5V, l'effet zener joue, pour celles supérieures à 6V, l'effet d'avalanche joue. Les deux effets jouent pour les tensions intermédiaires.     Ci contre, l'effet Zener : la tension aux bornes de la diode zener baisse avec la température. Ici, Vz         Ci contre, l'effet Zener et l'effet d'avalanche simultanés : la tension aux bornes de la diode dépend peu de la température. Pour un courant donné, elle est même constante. Cette propriété est intéressante pour les montages. Ici, Vz = 5V à 6V.         Ci contre, l'effet d'avalanche : la tension aux bornes de la diode zener augmente avec la température. Ici, Vz > 6V.         Mise en série de diodes zener La mise en série de diodes zener peut être utilisée dans deux cas : - créer un équivalent de diode zener avec une tension non normalisée. - créer un équivalent de diode zener avec faible dépendance de la température. On mettra plusieurs diodes en série dont les variations en température se compensent, ou bien plusieurs diodes à faible dépendance en température (zener de 5.6V par exemple).   Mise en parallèle de diodes zener La diode zener qui a le plus faible seuil va entrer la première en conduction. L'autre sera soit bloquée, soit peu passante. La répartition des courants ne sera pas équilibrée. La mise en parallèle ne doit pas être utilisée.

Cet article présente un exemple concret pour dimensionner un circuit stabilisateur de tension. Par exemple, il peut s'agir de l'alimentation d'un ampli op.   Cahier des charges Courant de sortie : 0 à 20mA Tension de sortie Vs : 15V Tension d'entrée Ve (non régulée) : 25V (Vemin) à 35V (Vemax) Ve fluctue entre 25V et 35V à cause de l'ondulation. On souhaite que sur cette plage de tension, la tension de sortie reste stable. Donnée : Le courant minimum dans la zener Izmin est de 1mA.       Comment dimensionner R et la diode zener ?   Réponse Valeur de R Etant donné qu'on souhaite une tension de sortie égale à 15V, la diode zener doit être un modèle 15V. On choisit R la plus élevée possible pour minimiser la dissipation et la consommation sur l'entrée, mais en assurant que le circuit reste conforme au cahier des charges, c'est à dire que le courant dans la zener dépasse Izmin.   Le pire cas est atteint lorsque le courant de sortie est maximal et que Ve est minimale. On a alors : Ve = Vemin = 25V, is = 20mA D'où : ie = is + izmin = 21mA Ce courant de 21mA traverse la résistance qui est alors soumise à une tension de Vemin-Vs = 25V-15V = 10V. D'où : R = 10V/21mA = 477 Ohm On choisit immédiatement inférieure : R = 470 Ohm.   Puissance dissipée par la résistance La plus grande dissipation est atteinte pour Ve maximale, peu importe le courant de sortie. La tension aux bornes de R vaut alors : Vemax-Vs = 35V-15V = 20V Pr = (20V)²/470Ohm = 0.85W On choisit un modèle capable de dissiper 1W.   Puissance dissipée par la diode zener La puissance maximale dissipée par la diode zener est atteinte pour un courant de sortie nul (tout le courant ie va dans la diode zener) et une tension d'entrée maximale. Lorsque Ve = 35V, ie = 20V/470Ohm = 43mA La puissance, Pz, dissipée dans la zener vaut : Pz = 43mA x 15V = 0.645W On choisit un modèle capable de dissiper 1.3W.                               Pour récapituler, on peut retenir les relations suivantes : Tension de zener : Vz = Vs. Valeur maximale de R : R = (Vemin - Vs) / (ismax + Izmin) Puissance max. dissipée dans la résistance : Pr = (Vemax - Vs)² / R Puissance max. dissipée dans la zener : Pz = Vz.(Vemax - Vz) / R

De nombreux montages associent diode zener et transistor. Dans tous les cas, le transistor est utilisé pour son gain en courant qui permet d'obtenir un courant de sortie plus important, tout en ayant une tension stabilisée par diode zener.   Régulateur série L'inconvénient majeur du montage "diode zener + résistance" est sa consommation à vide, identique à la consommation en charge. Pour limiter cette consommation, on ajoute un transistor qui n'appelle du courant que lorsque la charge de sortie en demande. Le rendement est ainsi amélioré aux faibles charges. La puissance dissipée dans la zener est limitée, de même que la consommation globale d'énergie.   Le transistor (appelé transistor ballast) se trouve entre l'entrée et la sortie. Il fonctionne en émetteur-suiveur (ou collecteur commun). Son potentiel de base vaut la tension de zener Vz. Il existe un décalage de Vbe (0.6V environ) entre la base et la sortie : Vs = Vz - Vbe   Sans le transistor, le montage pourrait fournir un courant ib maximum. Ici, le courant maximum vaut : is = ib.(hfe+1) Remarque : lorsque le courant de sortie est important, la dissipation du transistor peut devenir conséquente. La diode zener dissipe peu. Aucune protection contre les court circuits n'est prévue !     Exemple : alimentation pour ventilateur 12V/200mA On souhaite réaliser une alimentation pour ventilateur de PC (12V, 200mA) à partir d'une tension non régulée qui fluctue entre 18V et 24V. Calculer R adaptée, ainsi que la dissipation des composants dans le pire cas. Donnée : Izmin = 1mA, hfe = 100     Réponse Tout d'abord, pour créer une tension de sortie de 12V, il faudrait une zener de 12.6V, ce qui n'existe pas. On pourra mettre en série une diode ou se contenter d'une sortie à 11.4V. On suppose qu'une tension de 11.4V convient (avec 200mA disponibles). La diode zener est donc une 12V.   Calcul de R La plus grande valeur de ib possible (ibmax) vaut : ibmax = ismax/(hfe+1) = ismax/hfe (hfe>>1) ibmax = 200mA/100 = 2.00mA Or, Izmin = 1mA. Lorsque Ve est minimale, le courant dans la résistance est minimal : c'est le pire cas. On suppose donc Ve = 18V. Il faut au moins un courant de Izmin+ibmax = 3mA dans la résistance. D'où la valeur maximale pour R : R = (Vemin-Vz)/(Izmin+ibmax) = (18V-12V)/3mA = 2kOhm On choisit R = 1.8kOhm dans la série standardisée E12.   Puissance dissipée par la diode zener Dans le pire cas, ib est nul, donc tout le courant de la résistance va dans la zener. De plus, Ve = Vemax = 24V Le courant vaut alors : 24V-12V/1.8kOhm = 6.7mA La puissance dissipée par la zener vaut : Pz = 6.7mA x 12V Pz = 80mW Puissance dissipée par le transistor Dans le pire cas, is = 200mA et Ve = Vemax = 24V La tension Vce aux bornes du transistor vaut alors Ve - Vs = 24V - 11.4V = 12.6V La puissance dissipée par le transistor vaut alors : Pt = 12.6V x 200mA Pt = 2.52W Il est impératif de monter le transistor sur un radiateur de quelques cm de côté. Le transistor pourra être un BD237, un BD441, ...

Stabilisateur parallèleUne diode zener de forte puissance peut être nécessaire en vue d'une stabilisation parallèle. Comme les zener ne peuvent pas se connecter en parallèle (mauvais équilibrage des courants dans chaque diode), on fait appel à un transistor. Ce transistor peut être traversé par un courant plus grand et peut dissiper davantage. On simule ainsi une diode zener de forte puissance.PrincipePour le raisonnement, on suppose que la résistance R est absente.Tant que la tension aux bornes du montage n'a pas atteint Vz+0.6V, la zener est bloquée, donc le courant de base du transistor est nul : le transistor est bloqué. Lorsque la tension atteint Vz+0.6V, la zener entre en conduction, déclenche le courant de base ib, faisant ainsi entrer en conduction le transistor. Le courant collecteur vaut une centaine de fois le courant de zener (courant de base). On a ainsi créé un équivalent de diode zener dont le courant peut être 100 fois le courant d'une diode zener seule ! Limites du montageLa tension de l'équivalent de diode zener vaut 0.6V de plus.Pour le transistor, la dissipation, la tension Vce maximale et le courant maximal doivent être contrôlés.Le montage s'insère dans un circuit comme une diode zener standard, mais ne se comporte pas comme une diode classique en sens inverse ! Ajouter une diode en parallèle si nécessaire...Rôle de RLa diode zener, pour garantir une bonne stabilisation de la tension, doit être traversée par un courant au moins égal à Izmin. Pour créer Izmin, on ajoute R entre la base et l'émetteur du transistor. La valeur de R doit être telle que :R En pratique, Izmin est de l'ordre du mA, donc R est de l'ordre du kOhm.De plus, cette résistance assure un blocage fiable du transistor et une meilleure immunité aux perturbations (pas de déclenchement intempestif de la base du transistor qui se trouve "en l'air" quand la zener est bloquée).

Beaucoup d'applications électroniques nécessitent une tension d'alimentation continue. Le redressement peut se faire par diodes ou par thyristosr. Le thyristor se comporte comme une diode qu'on peut commander en tout ou rien.Son symbole est le suivant :Ce symbole rappelle celui de la diode. La patte supplémentaire (gâchette) permet la commande du composant. Il est constitué de 4 zones de semiconducteurs dopés PNPN, comme on le voit très schématiquement ci dessous :Ceci permet de comprendre qu'un thyristor se comporte comme l'assemblage de deux transistors connectés entre eux de la façon suivante : Amorçage d'un thyristor bloquéLorsque le potentiel d'anode est supérieur au potentiel de cathode (Vak>0), une impulsion de courant dans la gâchette fait entrer en conduction le transistor NPN. Le courant doit "rentrer" dans la gâchette. Le courant collecteur du NPN est égal au courant de base du PNP qui entre en conduction aussi. Le courant collecteur du PNP va dans la base du NPN dont la conduction est ainsi maintenue. Si le courant de gâchette cesse, la conduction de l'ensemble continue.Il existe d'autres façons d'amorcer un thyristor bloqué (à éviter)- Toujours lorsque Vak>0, si la tension Vak dépasse une certaine valeur (tension de retournement), le thyristor devient passant automatiquement sans courant de gâchette.- Si la tension Vak varie brutalement (variation trop rapide dans le temps).    Les courants de gâchette sont de quelques dizaines de mA pour des courants d'anode de plusieurs ampères. Ci dessous, un exemple de thyristor en boitier TO220. Une série de modèles connus sont les TIC106M (600V, 4A) et TIC106D (400V, 4A).  

Le thyristor peut se trouver dans deux cas : Vak > 0 (tension directe) et Vak Amorçage par la gâchette quand Vak > 0L'amorçage (passage d'interrupteur ouvert à interrupteur fermé) se fait par une impulsion de courant (une dizaine de mA typiques) sur la gâchette. Le courant doit "rentrer" dans la gâchette. Ce courant de gâchette sort par la cathode. La cathode joue le rôle de potentiel commun comme l'émetteur d'un transistor.Lorsque le thyristor est passant, il se comporte comme une diode. La tension à ses bornes est de l'ordre de 1V à 1.2V (comparer au 0.7V pour une diode passante). Que le courant de gâchette soit maintenu ou coupé, le thyristor reste passant.   Ci dessous, le test typique du TIC106 (un thyristor très utilisé). Avant l'impulsion, le potentiel d'anode vaut +30V car le thyristor est bloqué (pas de tension aux bornes de la résistance de 6 Ohm). Un générateur crée une impulsion de 5V à la gâchette par rapport à la cathode. Un courant de gâchette de 5mA amorce le thyristor qui devient conducteur (durée minimale de l'impulsion de l'ordre de 10 us). Lorsqu'il est conducteur, la chute de tension à ses bornes (Vak) est de 1.2V environ.     On peut également lire dans le datasheet du TIC106 la chute de tension Vak en fonction du courant : Pour un courant de 5A (continus), Vak vaut 1.2V environ. Blocage- Blocage par mise sous tension inverse (extinction forcée). En appliquant une tension inverse entre l'anode et la cathode, on bloque le thyristor. Sous tension inverse, le thyristor ne peut pas jamais être passant, de même qu'une diode bloquée.- Blocage par annulation du courant (extinction naturelle). Si le courant s'annule, le thyristor bloque.On rencontre ces cas dans les redresseurs à thyristors. Les passages par zéro de la tension ou du courant rendent naturellement possible l'extinction des thyristors.

Il existe 3 grandes règles pour l'association des thyristors, de même que pour les diodes.1 : Dans un ensemble de thyristors à anodes ou cathodes communes, la conduction d'un thyristor impose le blocage des autres.2 : Dans un ensemble de plusieurs thyristors à cathodes communes, le seul thyristor susceptible de conduire est celui dont l'anode est au potentiel le plus haut. Si il est conducteur, il impose son potentiel d'anode aux cathodes des autres thyristors.   On peut faire la comparaison suivante :on étudie la hauteur d'un piston dans un cylindre vertical. Le piston est soumis à son poids, mais il peut être retenu par des tiges fixées à l'intérieur du cylindre. C'est la tige la plus haute (potentiel d'anode le plus élevé) qui retient le piston et fixe ainsi sa hauteur (potentiel de cathode des thyristors) à l'intérieur du cylindre.3 : Dans un ensemble de plusieurs thyristors à anodes communes, le seul thyristor susceptible de conduire est celui dont la cathode est au potentiel le plus bas. Si il est conducteur, il impose son potentiel de cathode aux anodes des autres thyristors.  

Le thyristor GTO (Gate Turn Off) est une évolution du thyristor classique qui a la propriété de pouvoir être bloqué à l'aide de la gâchette, contrairement aux thyristors classiques.Ses deux symboles diffèrent un peu du thyristor au niveau de la gâchette : Il est utilisé pour les commutations des fortes puissances, avec des tensions de 2500V, 4500V et 6000V et des courants de 600A à 6000A environ. Ce n'est pas le composant du bricoleur électronicien !AmorçageUn GTO s'amorce par la gâchette (avec Vgk>0) comme un thyristor. Le courant de gâchette peut être de quelques ampères. Une fois la conduction amorcée, elle se maintient.BlocageLe GTO se bloque si le courant d'anode s'annule (comme le thyristor)Le mode de blocage spécifique du GTO consiste à détourner la quasi totalité du courant d'anode dans la gâchette. Le courant "sort" donc de la gâchette. En pratique, on applique donc une tension négative sur la gâchette (Vgk pour détourner le courant. L'opération doit avoir une durée minimale pour assurer un blocage fiable et non dangereux pour le GTO (0.1ms typique). Ceci est une limitation en fréquence.Sur le schéma équivalent à 2 transistors, on comprend que cette opération détourne le courant de base du transistor NPN, ce qui le bloque. Son courant collecteur n'alimente plus la base du PNP, ainsi, l'ensemble se bloque.   La commande de la gâchette doit supporter une pointe de courant égale au courant d'anode (centaines ou milliers d'ampères selon le GTO).

Contrairement au thyristor qui ne peut conduire que dans un sens, le triac peut conduire dans les deux sens. Il est bidirectionnel, alors que le thyristor est unidirectionnel. Le triac est apparu en 1964 et doit son nom à l'abréviation (Triode Alternating Current). Le triac se commande aussi à l'aide d'une gâchette. On peut le décrire comme deux thyristors montés tête bêche.Symbole du triacA1 : Anode 1A2 : Anode 2G : GâchetteFonctionnement par "quadrants" Il existe 4 façons d'amorcer un triac, on peut les représenter par 4 quadrants. Ces 4 quadrants sont caractérisés par les signes des potentiels de gâchette et d'anode 2. L'anode 1 est considérée comme référence des potentiels. Si le signe est "+", le courant "rentre", s'il est "-", il "sort".On construit ainsi les 4 quadrants suivants :La sensibilité du triac (courant nécessaire pour l'amorçage) varie selon les quadrants.Quadrant 1 : A2+, G+Quadrant 2 : A2+, G-Quadrant 3 : A2-, G-Quadrant 4 : A2-, G+Même si tous les quadrants sont utilisables, les quadrants 1 et 3 sont les plus performants : le courant de gâchette nécessaire est le plus faible (10mA tyiques)Le quadrant 4 est à éviter si possible. En effet, il faut alors un courant de gâchette élevé (100mA environ) pour amorcer le triac.Comme un thyristor, la chute de tension aux bornes d'un triac passant est de 1 à 1.2V environ.En pratique Les triacs servent à commuter des charges sur le secteur (relais statiques, commande tout ou rien d'automatismes, jeux de lumières chenillard) ou à réaliser des variateurs (variateurs de lampe, variateurs de vitesse pour moteur). Ils sont souvent en boitier TO220.Boitier D²PAK et TO220 et connexions des pattesQuelques triacs classiques à utiliser sur secteur 230V :BT136 : 4A 600VBT137 : 8A 600VBT138 : 12A 600VBTA16-600 : 16A 600VBTA26-600 : 25A 600VL'article suivant présente quelques schémas simples d'utilisation de triacs.

Pour commander un triac en tout ou rien, un circuit de commande de gâchette est nécessaire. Les réalisations pratiques devront être faites en ayant à l'esprit que le circuit de commande est aussi en contact avec le secteur. Aucune isolation ne protège l'utilisateur ! Dans les 2 montages qui suivent, le triac commute une lampe en tout ou rien sur le secteur 230V.Tension de gâchette négative pour éviter le quadrant 4Le plus simple est de commander la gâchette par une tension continue qu'on peut couper. Le courant d'anode est alternatif, on est donc dans les quadrants où figurent "A2+" et "A2-". Pour éviter le quadrant 4 (A2-, G+) qui est le plus mauvais, on a intérêt à utiliser un courant de gâchette négatif, c'est-à-dire brancher A1 au "+" de l'alimentation et la gâchette à la masse via un interrupteur. Le triac travaille ainsi tantôt dans le quadrants 2 (A2+, G-) et le quadrant 3 (A2-, G-).Commande de la gâchette avec 9VLorsque l'interrupteur K est ouvert, il n'y a pas de courant de gâchette. Le triac est bloqué, la lampe est éteinteLorsqu'on ferme K, le triac est amorcé et la lampe s'allume. Si on rouvre K, le triac bloque et la lampe s'éteint. En effet, le passage par zéro du courant (qui se produit 2 fois par période) met fin à la conduction. Le même montage fonctionne aussi avec une tension d'alimentation continue. Quand on ferme K, la lampe s'allume, mais quand on rouvre K, la lampe ne s'éteint plus. En effet, pour désamorcer le triac, le courant d'anode doit s'annuler.ApplicationLa tension de 9V peut être modifiée et la résistance de 100 Ohms en conséquence pour garantir un courant de gâchette de 50 à 100mA. L'interrupteur ne commute pas le courant de la lampe et peut donc être bien plus petit. Il peut être utilisé fréquemment sans usure prématurée.Commande de la gâchette par porte logique On peut modifier le montage en remplaçant l'interrupteur par un transistor. Ce transistor est commandé en niveau logique 0V/5V par n'importe quelle porte logique, la classique 7400 par exemple. L'entrée "Commande" est connectée à la sortie de la porte logique. La "Masse" est connectée à la masse de la porte logique.A l'état logique bas, la tension de sortie vaut 0V. La base du transistor ne reçoit aucun courant, le transistor est ainsi bloqué, et bloque la triac. La lampe est éteinte. Le datasheet du 7400 donne "VOL = 0.5V max" (tension de sortie correspondant au niveau bas = 0.5V max). Comme la jonction base-émetteur entre en conduction vers 0.6V, le transistor est bien bloqué, même si la tension de commande atteint 0.5V.A l'état logique haut (5V), le transistor est saturé (il se comporte comme un fil). Le courant de gâchette amorce le triac et la lampe s'allume.On peut utiliser n'importe quel transistor NPN qui supporte 100mA, 9V et dont le gain vaut 100 minimum. Un BC547 ou BC548 fera l'affaire.

Le moteur asynchrone est constitué de deux parties : le stator et le rotor.   Vue en coupe d'un moteur asynchrone   Le statorLe stator est formé d'une carcasse ferromagnétique qui contient trois enroulements électriques. C'est la partie fixe du moteur. Le passage d'un courant dans les enroulements crée un champ magnétique à l'intérieur du stator. Sur les moteurs triphasés, il y a 3 enroulements alimentés (en étoile 230V ou en triangle 400V) chacun par une phase. Pour le moteur asynchrone, le stator est l'inducteur (celui qui "induit", qui crée le champ magnétique).   Au centre des 3 bobines se trouve le rotor.Le rotorC'est l'élément en rotation qui transmet la puissance mécanique. Il se trouve au centre du moteur et est soumis au champ magnétique créé par le stator. Pour le moteur asynchrone, le rotor est l'induit (celui qui subit les courants "induits").Principe de fonctionnement et définitions   Principe du moteur asynchrone triphasé   Création d'un champ tournantLes 3 enroulements du stator sont orientés à 120° l'un par rapport à l'autre. Alimentés en courant triphasé (chaque courant est déphasé de 1/3 période), ces enroulements créent un champ magnétique tournant. Sa vitesse de rotation s'appelle vitesse de synchronisme. Sa valeur en tours par secondes vaut la fréquence du réseau qui alimente les bobines en Hz (50Hz pour l'Europe).La vitesse de synchronisme est nommée Ωs en rad/s ou ns en (tours/s). On a alors Ωs = 2.Pi.ns   En pratique   Sur les moteurs asynchrones, la vitesse de synchronisme dépend de la fréquence d'alimentation et du nombre de paires de pôles (p) :   Ωs = 2.Pi.f/p ou ns = f/p avec ns en tours/s.   Exemple : vitesse de synchronisme pour un moteur à 4 pôles (2 paires de pôles : p=2) alimenté en 50Hz   ns = f/p = 50/2 = 25 tours/s = 1500 tours/min   Mise en mouvement d'une spire en court circuit (rotor)Imaginons une spire en court circuit en libre rotation sur un axe perpendiculaire au plan des bobines et au centre de ces 3 bobines. Cette spire est soumise au champ tournant, comme si on faisait tourner un aimant autour de l'axe. Il s'y déclenche donc des courants de Foucault (qui peuvent exister puisque la spire est refermée sur elle-même). Ces courants créent une force de Laplace qui tend à mettre la spire en rotation pour s'opposer à la cause qui leur a donné naissance, d'après la loi de Lenz. La spire en court circuit part ainsi à la "poursuite" du champ magnétique tournant.Mais la spire ne rattrape jamais le champ tournant !En effet, imaginons que la spire tourne à la même vitesse que le champ tournant (Ωs). Dans son référentiel, elle ne verrait alors plus de variation de champ magnétique. Les courants de Foucault s'annuleraient, de même que le couple qu'ils créent. La spire ne serait plus entraînée. La spire représente le rotor.GlissementIl existe donc toujours une différence de vitesses de rotation entre le stator (Ωs) et le rotor (Ω). Cette différence s'appelle le glissement. Un observateur placé sur le rotor voit ainsi "glisser" le champ magnétique autour de lui.Le glissement (g) est défini comme un rapport et n'a pas d'unité : g = (Ωs - Ω) / Ωs = (ns - n)/nsC'est à cause du glissement que le moteur est appelé "asynchrone".

Un moteur asynchrone triphasé peut être connecté en étoile ou en triangle. Pour l'exemple, on étudie la plaque signalétique d'un moteur :230V/400V, 50Hz, pôles, 2.2kW, 8.1A/4.7A, cos Phi = 0.85, 1420 tours/min.Il s'agit là des valeurs nominales. La puissance de 2.2kW est la puissance utile nominale mécanique. Ce n'est pas la puissance électrique consommée. Le moteur peut évidemment fournir toute puissance inférieure à 2.2kWCouplage des enroulementsChaque enroulement du stator doit recevoir la plus petite des deux tensions (230V). L'indication "230V/400V" indique que le moteur peut être alimenté en 230V ou en 400V.     Sur un réseau 230V, les enroulements doivent être couplés en triangle.I = 8.1A. Chaque enroulement est traversé par un courant J = I / √3 = 4.7ASur un réseau 400V, les enroulements doivent être couplés en étoile. Ainsi, ils reçoivent chacun une tension simple (400V/√3).I = 4.7A. Chaque enroulement est traversé par un courant I = 4.7A   Quel que soit le couplage (étoile ou triangle), chaque enroulement du moteur est alimenté par les plus petites valeurs (230V et 4.7A). √3

Pour l'exemple, on étudie la plaque signalétique d'un moteur (la même que les autres articles):     230V/400V, 50Hz, 4 pôles (2 paires de pôles), 2.2kW, 8.1A/4.7A, cos Phi = 0.85, 1420 tours/min.   Fonctionnement à vide   On branche ce moteur sur 400V triphasés (couplage étoile). On constate expérimentalement que sa fréquence de rotation n vaut 1487tours/min. Le moteur reçoit alors une puissance qui correspond à la puissance à vide Pv : 275W avec un courant en ligne de Iv = 2.9A efficaces (Iv : courant à vide). Ce courant n'est pas du tout négligeable devant le courant nominal (4.7A) à pleine charge.   Le glissement vaut :   g = (ns - n) / ns = (1500 - 1487) / 1500 = 0.87%   Le glissement est très faible, c'est à dire que le rotor tourne presque au synchronisme.   Le cos φ vaut :   cos φ = Pv / (√3.U.Iv) = 275 / (√3 x 400 x 2.9) = 0.14   A vide, cos φ est faible. Le moteur apparaît fortement inductif.   Fonctionnement en charge   On peut maintenant charger ce moteur avec un frein adapté, c'est à dire qu'on lui applique un couple résistant. Lorsqu'on augmente le couple résistant (du fonctionnement à vide jusqu'à pleine charge): - la puissance mécanique à fournir par le moteur augmente (de 0 à sa puissance nominale 2.2kW) - le courant appelé augmente (de Iv = 2.9A jusqu'au courant nominal de 4.7A) - cos φ augmente (de 0.14 à 0.85) - la fréquence de rotation baisse un peu (de 1487 à 1420 tours/min)   La fréquence de rotation varie assez peu alors que le cos φ varie beaucoup.

La caractéristique mécanique représente la courbe de couple en fonction de la vitesse de rotation.     On constate que le couple est nul à la vitesse de synchronisme Ωs. En effet, si le rotor tourne au synchronisme Ωs, le rotor ne "verrait" plus de champ tournant autour de lui.Lorsqu'on freine le moteur (la vitesse de rotation baisse) : le couple augmente, passe par un maximum, puis redécroît. Pour une vitesse de rotation nulle (moteur immobilisé ou au démarrage), le couple existe et correspond au couple au démarrage.Lorsque la vitesse de rotation dépasse la vitesse de synchronisme, le couple devient résistant. Le moteur asynchrone se comporte en génératrice asynchrone lorsqu'il est entraîné plus vite que sa vitesse "naturelle". La courbe de couple présente une symétrie centrale par rapport au synchronisme Ωs.Zone utile de fonctionnementEn pratique, le moteur asynchrone ne doit fonctionner que sur zone de la caractéristique : c'est la zone utile de fonctionnement.     La zone utile de fonctionnement va du synchronisme (moteur à vide) à un couple maximal qui correspond au couple nominal (moteur à pleine charge). Au delà, on pourrait certes obtenir une puissance mécanique supérieure, mais le courant appelé excèderait ce que le moteur peut supporter, d'où un échauffement excessif des bobinages. Par ailleurs, le rendement se dégrade lorsqu'on dépasse le couple nominal et que la vitesse de rotation baisse trop.La plage de vitesses de rotation, quant à elle, est toujours étroite.

La zone utile de fonctionnement est proche d'un segment de droite comme le montre l'article précédent. On fait donc une approximation linéaire : le couple T est proportionnel au glissement g. On a donc :T = K.g dans la zone utileK est déduit à partir de la puissance et de la vitesse de rotation nominales du moteur. On néglige le glissement quand le moteur est à vide (g=0 pour T=0).Exemple d'applicationSoit ce moteur :   230V/400V, 50Hz, 4 pôles (2 paires de pôles), 2.2kW, 8.1A/4.7A, 1420 tours/min.QuestionQue vaut le couple utile pour un glissement de 4% ?Réponse Le point de fonctionnement nominal appartient à la zone utile de fonctionnement. Il faut d'abord calculer le couple Tn donné par le moteur lorsque celui ci est à la puissance nominale Pn.Tn = 30.Pn / (Pi.n) = 30 x 2200 / (3.14 x 1420) = 14.8Nm   Le facteur 30/Pi permet d'utiliser la valeur de vitesse de rotation en tours/min plutôt qu'en de rad/s.   Vitesse de synchronisme ns: ns = 60 x fréquence de la tension / nombre de paires de pôles = 60 x 50 / 2 = 1500 tours/min Le facteur 60 correspond à la conversion tours/min - tours/s.   A la puissance nominale, le glissement vaut :g = (ns - n) / ns = (1500 - 1420) / 1500 = 5.33%     Le coefficient K vaut donc :K = T/g = 14.8/0.0533 = 278 NmOn applique ensuite T = K.g avec g = 4% :T = 278 x 0.04 = 11.5 NmLe couple utile vaut 11.5Nm pour un glissement de 4%.

Le courant au démarrage du moteur vaut 5 à 7 fois le courant nominal. C'est ce qu'on retrouve sur la caractéristique électromécanique d'un moteur asynchrone. Courant consommé en fonction de la vitesse de rotationRemarques :- Le courant est d'autant plus grand que la vitesse de rotation est plus faible. Si le moteur est immobilisé ou au démarrage, le courant atteint le courant de démarrage (Id). - Le courant à vide (Iv) n'est pas négligeable.Démarrage d'un moteur asynchroneImaginons un moteur asynchrone qui doit entraîner une machine tournante. La machine tournante fait subir un couple résistant au moteur. Pour que le moteur ne reste pas bloqué (et appelle indéfiniment un courant excessif !), le couple moteur doit être supérieur au couple résistant : le moteur doit accélérer (vitesse de rotation croissante). Le couple délivré par le moteur doit être assez grand pour éviter un démarrage trop lent, et ainsi un appel de courant long. Un démarrage bref est obtenu par un couple moteur élevé, mais au prix d'un à-coup peut être dangereux pour l'ensemble mécanique entraîné, d'où une usure prématurée.Le couple moteur ne doit donc être ni trop faible, ni trop grand !Contraintes thermiquesDans le cas de démarrages fréquents, les appels de courant répétés peuvent faire surchauffer les bobinages du moteur. On tiendra donc compte de l'évolution de la température des enroulements du moteur et de la classe d'isolation (classe B : 125°C max, classe F : 155°C max, classe H : 180°C max, etc)Chute de tension en ligneL'appel de courant au démarrage crée une chute de tension aux bornes du moteur, mais aussi aux bornes des appareils voisins. Chez soi, on peut voir faiblir un instant une ampoule allumée à proximité lorsqu'on démarre un moteur asynchrone de quelques centaines de watts. Si la chute de tension est excessive, le couple de démarrage sera sensiblement plus faible et pourrait provoquer un démarrage trop lent. En effet, le couple de démarrage varie avec le carré de la tension.

Le courant de démarrage vaut 5 à 7 fois le courant nominal pour un moteur asynchrone. Si ça passe... Si l'installation électrique supporte cette pointe de courant à la mise sous tension du moteur, le moteur peut être directement branché au réseau. ...ou si c'est trop limite Dans le cas contraire, le courant de démarrage doit être limité. Il existe plusieurs méthodes pour limiter le courant de démarrage. Insertion de résistances rotoriques Dans le cas où le rotor est bobiné (et non en cage d'écureuil), on peut insérer des résistances au rotor (résistances "rotoriques"). Les enroulements du rotor peuvent être connectés à un circuit extérieur (résistances) grâce aux balais qui assurent le contact entre le rotor en mouvement et les connexions vers l'extérieur.   En fonction de la valeur insérée, la courbe de couple se modifie. Le courant de démarrage est d'autant plus faible que les résistances insérées sont grandes. L'enroulement du rotor se comporte comme le secondaire d'un transformateur. Au démarrage, ce secondaire est chargé par les résistances rotoriques. Ensuite, lorsque le moteur tourne déjà, il est court circuité. La rotation du rotor compense l'appel de courant lié à ce court circuit. Dans le cas contraire, le courant vaudrait le courant de démarrage et ne serait limité que par les inductances et résistances série des enroulements (stator et rotor).   Dans un premier temps, on insère 3 ensembles de 2 résistances en série. La 1ère étape vise à limiter au maximum le courant de démarrage. La courbe de couple se trouve décalée de telle façon que le couple maximum se situe au démarrage (avantage supplémentaire).     Dans un deuxième temps, on supprime (en shuntant) la moitié des résistances.Enfin, on shunte les résistances restantes et le moteur se trouve dans un état "normal" pour son fonctionnement nominal. La variation de couple à fournir se traduit alors par une faible variation de vitesse de rotation (pente raide de la zone utile), ce qui est souhaité.Démarrage sous tension réduite   La tension d'alimentation peut être réduite lors du démarrage grâce à un autotransformateur triphasé. Le courant de démarrage est proportionnel à la tension aux bornes des enroulements statoriques. On augmente progressivement la tension alternative aux bornes du moteur en tournant le curseur de l'autotransformateur. On constate que le courant augmente tant que le moteur est bloqué. Lorsque le moteur se met à tourner, le courant baisse fortement. L'autotransformateur peut être remplacé par un gradateur à thyristors. Démarrage étoile - triangle On peut aussi réduire la tension aux bornes des enroulements statoriques en faisant un démarrage "étoile - triangle". Au démarrage, le moteur est couplé en étoile, et ensuite, on le couple en triangle. La tension aux bornes des enroulements est alors divisée par √3, et donc malheureusement le couple au démarrage par 3. Cette situation peut empêcher le démarrage du moteur et de sa charge (couple résistant > couple moteur). Le démarrage étoile - triangle ne peut s'appliquer que pour des charges dont le couple résistant au démarrage est plus faible que le couple résistant au régime nominal (machines centrifuges : pompes, ventilateurs). Quand passer du couplage étoile au couplage triangle ? La vitesse de rotation à laquelle le basculement se produit est d'une grande importance. Si cette vitesse est trop réduite (on bascule trop tôt), l'appel de courant est très important. Mais si on laisse trop longtemps le moteur prendre de la vitesse et qu'il approche le synchronisme, il risque de caler (couple moteur Variation à U/f = constante Cette méthode est possible grâce à l'électronique de puissance actuelle (onduleurs). Le démarrage se produit à tension et fréquence réduites.   Le fait de garder le rapport U/f constant permet aux valeurs du flux magnétique de rester identiques pour une tension d'alimentation sinusoïdale. Il n'y a ainsi pas de risque de saturation magnétique.   Après le démarrage et la montée en vitesse du moteur, on atteint le fonctionnement nominal. Si on souhaite encore augmenter la vitesse de rotation, on augmentera la fréquence, mais à tension constante. Le flux magnétique diminue alors. La vitesse de rotation augmentera, mais le couple disponible diminuera : c'est alors une variation à puissance constante.   D'après la relation : Puissance = Couple x Vitesse de rotation, on peut tracer le couple maximum disponible en fonction de la vitesse de rotation ou de la fréquence.  

Une phase d'un moteur asynchrone peut être modélisée de la façon suivante :Le modèle est analogue au modèle d'un transformateur réel pour la partie statorEléments du statorInductance de fuite Lf : on la modélise comme une inductance en série pour tenir compte de l'énergie magnétique qui se situe en dehors des tôles lorsqu'un courant traverse les enroulementsPertes Joule : eh oui, les bobinages du stator ne sont pas supraconducteurs ! Ils possèdent une résistance série (qui dépend de la température). Dans un couplage étoile, la résistance mesurée entre deux connections vaut 2 fois la résistance série d'un enroulement puisqu'on mesure 2 enroulements en série.Inductance magnétisante Lm : comme dans le primaire d'un transfo, un petit courant circule lorsque le transfo est à vide (secondaire ouvert). Ce petit courant est modélisé par Lm en parallèle avec le transfo idéal.Pertes fer : une certaine énergie est dissipée par les pertes fer à chaque cycle d'hystérésis. On modélise cette dissipation par une résistance en parallèle avec le transfo idéal.Modèle équivalent du rotor : résistance r/g   Cette résistance r/g n'a pas d'existence physique, c'est un modèle équivalent. D'ailleurs, aucune connexion électrique ne relie le stator au rotor.   Rotor immobile, g = 1 (glissement = 1)Cet élément représente la résistance vue depuis le stator. Lorsque le glissement vaut 1, r/g = r. Dans ce cas, la présence du rotor immobile (bloqué ou juste avant de commencer à tourner) se modélise comme une résistance r. C'est la plus faible valeur possible. Cela permet de décrire l'appel de courant au démarrage. Cette situation correspond au secondaire d'un transformateur réel court circuité. Rotor en rotation (0 La résistance r/g est plus élevée et le courant qui la traverse est donc plus faible. Le courant total consommé par l'enroulement est plus faible.Au synchronisme (g = 0)A la vitesse de synchronisme (g = 0), cette résistance est un circuit ouvert. Cette situation correspond au secondaire d'un transformateur réel à vide (secondaire ouvert). Le fonctionnement à vide du moteur correspond à peu près à cette situation car le glissement est alors très faible. Le courant à vide est ainsi dû à l'inductance magnétisante et aux pertes fer.   Conclusion : ce modèle décrit la variation du courant absorbé en fonction de la vitesse de rotation ou du glissement. La résistance r/g est un modèle et n'a pas de sens physique.

    Le monde informatique moderne repose sur le calcul de valeurs binaires (qui n’ont que deux valeurs possibles). Ces valeurs binaires sont couramment appelées « 0 » et « 1 », et sont réalisées dans les circuits électroniques par deux tensions électriques, par exemple 0V ou 5V. Il existe aussi le niveau de tension standard 3.3V, et même 1.8V. Le défi technologique consiste à réduire ces tensions pour diminuer la consommation d’énergie et augmenter la cadence des opération (fréquence). Les valeurs binaires peuvent aussi être décrites par « noir » ou « blanc » lors d’un tirage, « pile » ou « face », « niveau haut » et « niveau bas », « vrai » ou « faux » ou encore « tout » ou « rien ».         Avec les grandeurs dites logiques « 0 » et « 1 », on peut faire des calculs selon des règles différentes de nos opérations usuelles sur les nombres décimaux. Les opérations réalisées se représentent par des entrées et des sorties. Par exemple, l’opération « 3 x 4 = 12 » peut se décrire, d’un point de vue entrées/sorties, de la façon suivante : - les deux entrées ont 3 et 4 comme valeur - la sortie prend alors la valeur 12     Les principales fonctions logiques vont être décrites de cette façon :Porte logique « et » (and)Porte logique « ou » (or)Porte logique « non » (not)    A partir de cela, on peut aussi créer les portes logiques suivantes :Porte logique « non et » (nand)Porte logique « non ou » (nor)Porte logique « ou exclusif » (xor)Porte logique « non ou exclusif » (xor not)    On remarque que ces fonctions-là ne font pas intervenir le temps. Pour une entrées donnée, il ne peut exister qu'une sortie donnée. Les sorties ne sont pas connectées aux entrées de façon bouclée.

Liaison RS232 : caractéristiques des niveaux électriques   La norme RS232 (appelée aussi "CCITT V24" ou "V24") précise l’état des niveaux : de -25V à -3V pour le niveau "A" et de +3V à +25V pour le niveau "B". "A" et "B" peuvent être "0" et "1" ou bien "1" et "0" selon qu'on travaille en logique positive ou négative.   Liaison RS232 : connecteur et broches   Pour la liaison RS232 le connecteur utilisé doit être DB9 ou DB25.    Sur le connecteur DB9, le brochage doit être fait ainsi : 1 DCD : Détection de porteuse Entrée 2 RD : Réception de données Entrée 3 TD : Emission de données Sortie 4 DTR : Terminal de données prêt. Sortie 5 SG : Masse du signal  6 DSR : Données prêtes Entrée 7 RTS : Requête d'émission Sortie 8 CTS : Prêt pour l'émission Entrée 9 RI : Indicateur de sonnerie Entrée     Vue du connecteur DB9 pour RS232 (pinout)   Liaison RS232 : Protocole   Au minimum, 3 fils sont nécessaires pour une liaison RS232 : SG(la masse), RD et TD. Cela suffit pour une liaison asynchrone mais peut poser problème si l'appareil connecté a besoin de signaux de contrôle (DTR ou CTS) pour fonctionner.   On appelle cette liaison "asynchrone" parce qu'il n'y a pas d'horloge commune aux équipements qui communiquent entre eux. Ils peuvent émettre leurs messages (trames) n'importe quand pourvu que la ligne soit libre. Le récepteur se synchronise alors sur le début du message. L'émetteur et le récepteur doivent cependant avoir la même fréquence d'horloge. Les bits sont "lus" à la moitié de leur durée.   Le protocole RS232 est nécessaire pour que deux éléments qui communiquent se "comprennent". Il faut donc respecter les critères suivants :   Longueur des mots : 7 bits (ex : caractère ascii) ou 8 bits   Vitesse de transmission : elle se compte en bauds (bits par seconde). On peut choisir 1200baud, 2400baud, 4800baud, 9600baud, 19200baud...     Trame RS232 vue à l'oscilloscope (durée 8ms, vitesse de transmission 9600 baud)   Bit de start : au repos, la ligne est à l'état logique "1". Pour indiquer qu'un mot va être transmis, la ligne passe à "0" avant de commencer le transfert. Le récepteur peut ainsi synchroniser son horloge sur ce front. La lecture des bits suivants a lieu à la moitié de la durée des bits.   Bit de stop : après la transmission, la ligne RS232 est positionnée au repos pendant 1, 2 ou 1,5 périodes d'horloge selon le nombre de bits de stop.   Parité : le mot transmis peut être suivi ou non d'un bit de parité qui sert à détecter les erreurs éventuelles de transmission. 2 types de parité existent. Ni le bit de start ni le bit de stop ne sont pris en compte dans le calcul de la parité.   - parité paire : le bit de parité vaut "1" si le nombre de "1" de la donnée est impair. Le nombre total de "1" sur l'ensemble {donnée + bit de parité} est alors pair.Soit la donnée "01001001" contenant trois bits "1". Trois étant un nombre impair, le bit de parité vaut "1". Le nombre total de "1" vaut donc 4, on parle de parité paire.   - parité impaire : le bit de parité vaut "0" si le nombre de "1" de la donnée est pair. Le nombre total de "1" sur l'ensemble {donnée + bit de parité} est alors impair.Soit la donnée "01101111" contenant six bits "1". Six étant un nombre impair, le bit de parité vaut "0". Le nombre total de "1" vaut donc 7, on parle de parité impaire.   Liaison RS232 : Longueur du câble et applications   La longueur maximale est d'une dizaine de mètres. Dans certains cas, on peut aller jusqu'à 100 mètres. Plus la vitesse de transmission est élevée, plus la connexion doit être courte. La norme RS232 est ainsi très utilisée comme bus de terrain entre un ordinateur et un périphérique ou autre chose dans le cadre du contrôle d’une machine. Les nouvelles normes telles que l’USB ont des portées nettement moins importantes mais l’apparition de liaisons sans fil fait concurrence à la RS232. Des convertisseurs USB vers série existent aujourd'hui, telsque le FTDI ou le 18F4550 qui permettent de simuler un port série sur un PC via un driver. L’interface est connectée sur le port USB mais est reconnue comme un port série sur l’ordinateur, ce qui permet alors d’utiliser les anciens logiciels de contrôle avec une interface électronique plus récente.

Un fusible sert à interrompre un circuit électrique lorsqu'il y a un défaut (court circuit, courant excessif). Le fusible doit assurer une protection fiable, simple et économique. La coupure d'un circuit en charge entraîne toujours la formartion d'un arc électrique. Le fusible évite des surintensités prolongées potentiellement catastrophiques. Outre son calibre (courant), on le caractérise par :   - Temps de préarc : durée pendant laquelle le courant amène l'élément fusible à l'état de vapeur (après fusion). La tension du réseau n'a pas d'influence sur le temps de préarc.   - Temps d'arc : durée entre l'instant où apparaît l'arc et son extinction totale (courant nul). Le temps d'arc dépend de la tension du réseau. Lorsque le temps de fusion totale dépasse 40ms, le temps d'arc est négligé devant le temps de préarc.   - Temps de fusion totale : temps de préarc + temps d'arc.   - Pouvoir de coupure : valeur du courant de court circuit présumé que le fusible est capable d'interrompre de façon fiable. Il s'agit d'aborber l'énergie générée par l'arc électrique lors de la coupure.   - Contrainte thermique : on considère le carré du courant (i²) dont on calcule l'intégrale sur l'intervalle de temps de fusion totale. Cette intégrale est exprimée en A²s (ampère carré seconde). Elle est proportionnelle à l'énergie absorbée par le fusible.   Le calibre du fusible n'a rien à voir avec son pouvoir de coupure ! Un fusible de 8A peut avoir un pouvoir de coupure de 30kA (30000A), comme ci dessous.   Vue de fusibles 10x38mm 8A   Limitation du courant de court circuit   On étudie les deux paramètres suivants :   - Le courant efficace présumé qui traverserait la charge s'il n'y avait pas de fusible. - Le courant crête réellement atteint par le courant dans la charge protégée par le fusible.   En fait, il n'y a limitation du courant crête que si le temps de préarc est inférieur à 5ms (pour un réseau 50Hz). Graphiquement, la courbe de courant chute avant d'arriver au maximum de la sinusoïde (image ci dessous).   Limitation du courant de crête par le fusible   Choix d'un fusible   4 paramètres permettent de choisir une protection :   - courant consommé par la charge Le calibre du fusible doit être supérieur au courant permanent consommé par la charge. Pour 1000W sur 230V (4.3A), on choisira 5A par exemple.   - caractéristiques du réseau : un fusible ne doit jamais être utilisé dans un circuit où la tension efficace est supérieure à sa tension nominale.   Si la fréquence f du réseau est inférieure à 5Hz, le tension d'emploi est équivalente à une tension continue. La tension nominale du fusible doit être supérieure à la tension crête réelle. pour f entre 5Hz et 48Hz, on utilise le tableau suivant :   Tension nominale minimum du fusible en fonction de la fréquence   Pour 48Hz et plus, ku vaut 1. La tension d'emploi autorisée peut aller jusqu'à la tension nominale du fusible. Le pouvoir de coupure doit être supérieur au courant de court circuit (qu'il faut déterminer).   - règles d'installation : les fusibles ont une ou deux fonction de protection en fonction du régime de neutre : TT : SurintensitéIT, TNC et TNS : Surintensité + contacts indirects   - caractéristiques du circuit considéré : le fusible est sensible à la chaleur. Si le fusible est utilisé dans un environnement chaud, le courant nominal est réduit. La température ambiante fait qu'un échauffement moindre (lié à l'effet Joule) suffira à faire fondre le fusible. Un fusible de 10A verra son calibre passer de 10A à 8A quand la température passe de 40°C à 70°C par exemple.   Désignation des fusibles   On connait surtout les fusibles gG et aM mais il y en a d'autres :    Signification des lettres du fusible   Les fusible UR (ultra rapides) servent à protéger les semi conducteurs. Leur i²t doit être inférieur au i²t du semi conducteur à protéger.   Fusible gG ou aM ?   Le aM est utilisé pour les moteurs et supporte donc des appels de courants importants.Le gG est à usage général, souvent domestique.

Si des petits blocs d'information doivent être transférés sur de longues distances l'interface RS485 est souvent un bon choix. Les noeuds des réseaux peuvent être des PC, des microcontrôleurs ou n'importe quel appareil qui utilise une communication série asynchrone. Comparés à d'autres protocoles et besoins matériels, la liaison RS485 est plus simple et plus économique.   Le standard RS485 est assez flexible pour offrir le choix des récepteurs, émetteur et autres composants en fonction de la longueur du câble, de la fréquence des données à transmettre, du nombre de noeuds et de l'économie d'énergie. On peut trouver des interfaces RS485 avec différentes configurations, comme la façon de terminer un bout de ligne ou de polariser la ligne.     L'interface RS485 : présentation   L'interface RS485 est une spécification électrique pour des systèmes multipoints qui utilisent des lignes différentielles (la donnée est constituée de 2 tensions d'état contraire sur 2 fils séparés). Le RS485 est  analogue au RS422 mais le RS422 ne permet qu'un émetteur avec plusieurs récepteurs. La liaison RS485 permet d'utiliser plusieurs émetteurs. La norme EIA485A définit les caractéristiques électriques de la ligne RS485. On y trouve aussi quelques suggestions concernant la terminaison de la ligne et le câblage mais rien sur les connecteurs ni les protocoles (contrairement au RS232).   Une liaison RS485 peut avoir jusqu'à 32 modules. Chaque module doit avoir une impédance d'entrée de 12kOhms. Si on utilise des récepteurs haute impédance, on peut en connecter jusqu'à 256 sur une même ligne RS485.   La longueur peut aller jusqu'à 1200 mètres et peut transférer des données jusqu'à 10Mbps (10 mégabits par secondes) mais pas les deux à la fois. Sur 1200 mètres, on peut transférer 90kbps. Sur 100 mètres, on peut arriver à 1Mbps. Pour atteindre 10Mbps, la longueur ne doit pas dépasser 15 mètres. Si on souhaite créer une ligne plus longue, il faut utiliser des répéteurs qui régénèrent le signal et débutent une nouvelle ligne.   Même si le standard RS485 ne dit rien sur les protocoles, la plupart des liaisons RS485 utilisent un protocole asynchrone (existant sur les UARTs dans les PC). Un mot transmis est constitué d'un bit de start, des données, d'un éventuel bit de parité et d'un bit de stop.   Une interface RS485 peut être ajoutée à un PC par une carte spécifique ou un convertisseur RS485-USB par exemple. Pour les microcontrôleurs, n'importe quel port série peut se relier sur une interface RS485. Un bit supplémentaire est souvent nécessaire pour contrôler l'activation de l'interface (émetteur/récepteur). Les ports conçus pour RS232 peuvent utiliser le signal RTS. Un autre bit peut jouer ce rôle si RTS n'est pas disponible.   La plupart des outils de communication série, dont Visual Basic's MSComm, supportent la communication RS485 tout en contrôlant le signal RTS par logiciel.     L'interface RS485 : signaux électriques   C'est parce que la liaison RS485 utilise des signaux différentiels qu'elle est si largement utilisée. 2 fils (souvent une paire torsadée) la tension de signal et son opposé. Le récepteur détecte la différence des deux. Une variation de tension commune aux deux fils (parasite, bruit, etc) s'annule donc. En pratique, les bruits sont souvent communs étant donné que les fils sont très proches, donc soumis aux mêmes perturbations électromagnétiques. Le câble XLR en audio utilise le même procédé, mais en analogique.     En revanche, la liaison RS232 utilise un signal simple (son opposé n'est pas présent). Dans ce cas, le récepteur mesure la différence entre le signal et la masse. Les fils de masse ont tendance à être bruyants parce qu'ils sont traversés par tous les courants de retour des autres interfaces. Le bruit sur la masse peut entraîner une mauvaise lecture du bit transmis.   Les datasheets d'interface RS485 désignent la ligne non inversée comme ligne "A" et la ligne inversée comme "B". Un récepteur RS485 doit voir une tension de 200mV seulement entre A et B. Si le potentiel de A est 200mV plus haut que celui de B, la sortie du récepteur est au niveau logique haut. Si B est 200mV plus haut que A, la sortie est au niveau bas. Si la tension entre A et B est inférieure à +/-200mV, le niveau de sortie est indéfini.   Allure d'une trame RS232 en entrée et RS485 en sortie d'une interface   L'émetteur doit créer une tension différentielle d'au moins 1.5V. L'interface tolère donc une grande quantité de bruit et d'atténuation. On trouve des notes d'applications excellentes chez les fabricants de composants pour RS485 (Linear Technology, Maxim, National Semiconductor, Texas Instruments, etc). Quelques explications plus théoriques y figurent aussi.     La topologie des liaisons RS485 est libre. La plupart des liaisons utilisent de la paire torsadée pour sa meilleure immunité au bruit.    

  Pour réaliser un matériel sûr, les concepteurs doivent comprendre les principes directeurs des exigences. Il est nécessaire de prévoir non seulement les conditions normales de fonctionnement, mais aussi les situations probables de défaut, les défauts qui en sont la conséquence, la température extérieure, l'altitude, l'humidité, la pollution. N'oublions pas un mauvais usage prévisible ou une surtension sur le réseau d'alimentation ou sur un réseau de télécommunications ou un système de distribution par câbles.   Les distances d'isolation doivent rester conformes même avec les tolérances de fabrication ou de déformation due à un choc, à l'utilisation, aux vibrations ou au transport.     La norme EN60950-1 s'applique aux matériels de traitement de l'information alimentés par le réseau ou par batteries (tension   Les exigences de la norme ont pour but de réduire les risques de choc électrique, de feu ou de blessure pour l'opérateur et le personnel non spécialisé qui peut entrer en contact avec le matériel. Cela concerne le matériel formé d'unités interconnectées ou d'unités indépendantes, sous réserve que le matériel soit installé, utilisé et entretenu comme le prescrit son fabricant.     Exemples d'application :   - équipement de commerce : caisses, balances électroniques - équipement pour le courrier : machines à affranchir, balances - terminaux de télécommunication : modems, répondeurs téléphoniques, téléphones fixes - matériel bancaire (traitement de l'argent, distributeur de billets) - matériels de réseaux (passerelles, routeurs, terminaux) - traitement de texte (ordinateurs, photocopieurs, machines à détruire les documents, imprimantes, écrans, scanners).     Mais la norme ne concerne pas les matériels suivants :   - dispositifs fonctionnant sans puissance électrique - installation électrique des bâtiments - alimentations en énergie : groupes convertisseurs, transformateurs, batteries de secours - conditionneur d'air - détecteur d'incendie

Un certain vocabulaire électrique est propre à la norme en60950-1. "courant" et "tension" désignent les valeurs efficaces sauf spécification contraire.     Caractéristiques électriques des matériels   Courant assigné : courant absorbé par le matériel, déclaré par le fabricant   Tension assignée : tension d'alimentation déclarée par le fabricant. Pour un réseau triphasé, on indique la tension entre phases.   Plage assignée de tensions : plage de tensions d'alimentation déclarée par le fabricant, exprimée par les tensions assignées inférieure et supérieure. Une plage est notée "-" (exemple : "85V - 264V", toute valeur possible entre 85V et 264V) alors que des valeurs multiples sont séparées par "/" ("220V/240V", 220V et 240V seulement).   Fréquence assignée : fréquence d'alimentation déclarée par le fabricant (50Hz, 60Hz, 47-63Hz, 50Hz/60Hz, etc). Conditions de fonctionnement   Charge normale : mode de fonctionnement, utilisé à des fins d'essais, qui représente le plus fidèlement possible les conditions les plus sévères de fonctionnement normal qui peuvent être raisonnablement attendues.     Pour un fonctionnement intermittent, les durées suivantes sont définies :   Durée assignée de fonctionnement : durée de fonctionnement maximale assignée au matériel par le fabricant Durée assignée de repos : durée minimale pendant laquelle le matériel fonctionne à vide ou est déconnecté entre des périodes de durée assignée de fonctionnement.     Enveloppes   3 types d'enveloppes sont définis :   Enveloppe électrique : partie du matériel destinée à limiter l'accès à des parties sous tension dangereuse ou à des niveaux d'énergie dangereux (condensateurs chargés, batteries, etc).   Enveloppe mécanique : partie du matériel destinée à réduire le risque de blessures dues à des dangers mécaniques ou autres dangers physiques.   Enveloppe contre le feu :  partie du matériel destinée à minimiser l'extension du feu ou des flammes provenant de l'intérieur.   Une seule enveloppe peut remplir 2 ou 3 fonctions simultanément. L'enveloppe peut donc être unique.   Mobilité des matériels   Matériel mobile : soit de masse inférieure à 18kg et non installé à poste fixe, soit équipé de roues, roulettes ou autres moyens qui en facilitent le déplacement par l'opérateur lorsque cela est nécessaire pour assurer sa fonction. Un danger supplémentaire est dû au câble d'alimentation où le conducteur de terre peut être rompu. Les utilisateurs doivent être informés pour éviter de brancher le matériel à la mauvaise source de puissance ou de remplacer les fusibles par des types incorrects.   Matériel portatif : matériel ou partie de matériel mobile prévu pour être tenu à la main en usage normal   Matériel transportable : matériel mobile destiné à être transporté de manière habituelle par un utilisateur (exemple : ordinateur portable).   Matériel fixe : matériel qui n'est pas un matériel mobile.   Matériel enfichable directement : matériel destiné à être utilisé sans câble d'alimentation. La fiche de prise de courant forme une partie intégrante de l'enveloppe. Le socle de la prise de courant supporte donc le poids du matériel (adapteurs, chargeurs de téléphone, humidificateurs, etc)   Matériel à encastrer : matériel destiné à être installé dans un logement prévu à cet effet, par exemple dans une paroi. Tous les côtés du matériel à encastrer n'ont pas forcément d'enveloppe puisque certains seront protégés après installation.   Classe de matériels   Classe I :- isolation principale contre les chocs électriques- parties conductrices pouvant être portées à des tensions dangereuses reliées à la terre du bâtiment. Le matériel de classe I peut avoir des parties à double isolation ou isolation renforcée. Exemples : lave vaisselle, moteurs, cuisinière, ordinateurs fixes       Classe II :- isolation double ou renforcée- pas de terre La partie extérieure métallique n'est pas reliée à la terre : ce sont par exemple les appareils avec fiche secteur sans terre. Le symbole correspondant à la classe II est un ensemble de 2 carrés imbriqués l'un dans l'autre. Exemples : lecteurs CD, magnétoscopes, amplis hifi, réveils radio     Classe III :- alimentation à partir de très basse tension de sécurité- pas de tensions dangereuses générées à l'intérieur du matériel Exemples : ordinateurs portables, téléphones portables, éclairage halogène 12V     La norme en60950-1 vise à la sécurité des utilisateurs et du personnel de maintenance.  

Les matériaux isolants doivent être choisis en fonction des contraintes électriques, thermiques et mécaniques et de l'environnement de travail (température, pression, humidité et pollution). L'isolement ne doit pas utiliser de caoutchouc ou de matériau sensible à l'humidité (hygroscopique). On ne doit pas compter sur des courroies d'entraînement et des dispositifs de couplage pour assurer l'isolement électrique, à moins que la courroie ou le dispositif de couplage ne soit d'une construction spéciale évitant le risque d'un remplacement inapproprié.   Types d'isolation (ou isolement, c'est synonyme !)   - Isolation fonctionnelle : isolement nécessaire seulement pour le fonctionnement correct du matériel. Elle ne protège pas contre les chocs électriques (par exemple : 1.5mm entre deux pistes sur une carte électronique).     - Isolation principale : assure la protection principale contre les chocs électriques (par exemple : 4mm sur une carte électronique).   - Isolation supplémentaire : isolation indépendante appliquée en plus de l'isolation principale pour réduire le risque de choc électrique si l'isolation principale présente un défaut.   - Double isolation : ensemble isolation principale + isolation supplémentaire (par exemple : 4mm + 4mm sur une carte électronique). Il est permis d'intervertir l'isolation principale et l'isolation supplémentaire.   - Isolation renforcée : système d'isolation unique qui procure une protection équivalant à une double isolation (par exemple : 8mm sur une carte électronique). L'isolation peut aussi comprendre plusieurs couches et ne pas être homogène. Les couches ne peuvent alors pas être testées séparément.     Exemples d'application   Pour obtenir un circuit TBTS (très basse tension de sécurité), l'isolement avec le primaire (réseau électrique) doit être :   - soit renforcée (mise à la terre faculative)- soit double (mise à la terre faculative)- soit principale (avec mise à la terre obligatoire)- jamais fonctionnelle   Pour obtenir un circuit TBT (très basse tension), une isolation principale avec le primaire est suffisante. Sur les circuits imprimés, cela se traduit par des distances à respecter entre les zones (primaire-TBTS, primaire-TBT, TBT-TBTS) (voir article "Norme EN60950-1 : Distances dans l'air").   Définition de TBT, TBTS, primaire et secondaire   - Réseau d'alimentation : système de distribution de l'alimentation (courant alternatif ou continu)     - Circuit primaire : circuit directement connecté au réseau d'alimentation (primaire d'un transformateur, partie d'une alimentation à découpage non isolée du secteur, moteurs).   - Circuit secondaire : circuit qui n'est pas relié directement à un circuit primaire et qui est alimenté par l'intermédiaire d'un transformateur, d'un convertisseur ou d'un dispositif d'isolement équivalent ou par batterie.   - Tension dangereuse : tension supérieure à 42,4 V crête (30V efficaces en sinusoïdal) ou à 60 V continus, présente dans un circuit non conforme aux exigences relatives soit à un circuit à limitation de courant, soit à un circuit TRT (réseau télécommunication).   - Circuit TBT (très basse tension) : circuit secondaire caractérisé par :      - tensions inférieure à 42,4 V crête ou 60 V continus entre deux conducteurs quelconques du circuit, et entre un tel conducteur et la terre, dans les conditions normales de fonctionnement.    - séparé des tensions dangereuses par une isolation principale.    - non conforme à toutes les exigences pour un circuit TBTS ou circuit à limitation de courant.     - Circuit TBTS (très basse tension de sécurité) : ne contient pas de tension dangereuse même en cas de défaut d'isolement. Sur une isolation double, cela revient à rompre une des deux isolations. L'autre assure toujours sa fonction de protection.    - séparé des tensions dangereuses par une isolation double ou isolation renforcée. Si le circuit TBTS est mis à la terre, une isolation principale suffit.    - séparé d'un circuit TBT par une isolation supplémentaire.  

Sur un circuit imprimé, la distance d'isolement entre deux pistes dépend de :   - la tension (bien sûr !)- l'isolement souhaité- la nature du matériau- la pollution de l'environnement- les tensions transitoires du réseau   Tension   - Tension crête et distance dans l'air   La valeur de la tension crête détermine la distance minimale à respecter sur le circuit imprimé. Il s'agit de la "distance dans l'air", mesurée en ligne droite entre les points les plus proches des deux pistes. C'est une distance "à vol d'oiseau" (un très petit oiseau ;-)).   - Tension efficace et ligne de fuite   La valeur efficace de la tension détermine la ligne de fuite minimale à respecter sur le circuit imprimé. La ligne de fuite est, en gros, le plus court chemin sur le circuit imprimé pour aller d'une piste à l'autre. Pour un circuit imprimé perforé entre deux pistes, la ligne de fuite est plus longue que la distance dans l'air. Le trou dans le circuit imprimé permet d'augmenter la ligne de fuite pour une distance dans l'air donnée.   Ici, ligne de fuite et distances dans l'air sont égales.   Perforation du circuit imprimé pour augmenter la ligne de fuite   On suppose que le courant de fuite ne passe que par le circuit imprimé et pas dans l'air ambiant.   Les articles "Distance dans l'air en électronique" et "Ligne de fuite en électronique" définissent plus en détail ces deux notions.   Isolement souhaité   L'isolement souhaité peut être fonctionnel, principal, supplémentaire, renforcé ou double.     L'article "Norme EN60950-1 : Isolement électrique, TBT, TBTS" définit plus en détail ces notions en électronique.   Nature du matériau   Le matériau peut être :   - carte imprimée (destinée à l'électronique)- autres matériaux     Pollution de l'environnement   Un circuit électronique est souvent soumis à la poussière et à l'humidité ou la condensation d'eau.     On définit le degré de pollution (valeurs 1, 2 ou 3) de la façon suivante :   - Degré de pollution 1 Absence de pollution ou présence de pollution sèche uniquement (par exemple en enfermant les composants ou sous-ensembles de façon hermétique pour empêcher toute poussière ou humidité.   - Degré de pollution 2 Présence d'une pollution non conductrice qui pourrait devenir temporairement conductrice à la suite d'une condensation occasionnelle (cas le plus fréquent).   - Degré de pollution 3 Environnement local à l'intérieur du matériel soumis à une pollution conductrice ou à une pollution sèche non conductrice qui pourrait devenir conductrice à la suite d’une condensation attendue (cas le plus critique, mais heureusement rare pour les électroniciens).   Tensions transitoires du réseau   La tension transitoire du réseau que doit supporter un appareil dépend de la catégorie de surtension et de la tension du réseau (considérer la catégorie II en général).     Note : Si les matériels une fois installés sont susceptibles de subir des surtensions transitoires supérieures à celles de leur catégorie de surtension, ils devront être équipés d'une protection supplémentaire à prévoir à l'extérieur du matériel. Les instructions d’installation doivent alors indiquer la nécessité d’une telle protection extérieure. Pour le réseau 230V, la catégorie II coorespond à 2500V.   Les tableaux de la norme EN60950-1 qui donne les distances dans l'air et les lignes de fuite figurent dans l'article "Distance d'isolement électrique : valeurs".

La norme EN60950-1 présente les distances dans l'air à respecter en fonction de la tension crête et les lignes de fuite à respecter en fonction de la tension efficace.   Distance dans l'air   Distances dans l'air définies par la norme EN60950-1 Les distances dans l'air sont données en fonction du degré de pollution et des surtensions sur le réseau. Chez soi et dans l'industrie, il est raisonnable et prudent de choisir :   - surtension : 2500V (correspondant à la catégorie II de surtensions d'un réseau 230V)- degré de pollution 2   Avec ces choix, il est possible de simplifier le tableau :   Distances dans l'air (degré de pollution 2, surtension 2500V)   Selon l'isolement souhaité, on retient une des 3 colonnes :   F : fonctionnelB/S : principal ("basic" en Anglais) ou supplémentaireR : renforcé   Exemple : - Si on souhaite une isolation renforcée pour une tension de 340V crête, il faut 4mm minimum entre les deux pistes. - Pour une isolation fonctionnelle, 1.4mm suffit pour une tension allant jusqu'à 210V crête.   Ligne de fuite   Lignes de fuite définies par la norme EN60950-1   Les lignes de fuite sont données en fonction du degré de pollution et du groupe de matériaux. Chez soi et dans l'industrie, il est raisonnable et prudent de choisir :   - degré de pollution 2- Groupe de matériaux : "autres matériaux" (c'est le pire cas parce que les "cartes imprimées" sont moins contraignantes) et colonne "IIIa, IIIB (c'est le pire cas). En choisissant cette colonne, les lignes de fuite garantissent une excellente fiabilité !   (Les groupes de matériaux dépendent de l'indice de résistance au cheminement (IRC) et sont classés comme suit: Groupe de matériau I : IRC > 600Groupe de matériau II : 400 Groupe de matériau IIIa : 175 Groupe de matériau IIIb : 100  Le groupe de matériau est vérifié par l'évaluation des données d’essai pour le matériau conformément à la CEI 60112. Lorsque le groupe de matériau n'est pas connu, il est supposé être IIIb.)   Les valeurs du tableau s'appliquent à l'isolation fonctionnelle, principale et supplémentaire. Pour l'isolation renforcée, il faut doubler les valeurs.   Il est permis de procéder par interpolation linéaire entre les deux points les plus voisins, la ligne de fuite calculée étant arrondie à l'échelon de 0,1 mm immédiatement supérieur. Pour l'isolation renforcée, la valeurcalculée de l'isolation principale doit être doublée d'abord avant d'arrondir.   Exemple : isolation renforcée pour une tension efficace de 163VLigne de fuite : 1.63mm (interpolation linéaire du tableau)Ensuite, on double : 2x1.63mm = 3.26mmEnsuite, on arrondit : 3.3mm   On remarque aussi que, dans cette colonne, de 160V à 50kV, la ligne de fuite en mm vaut 1/100 de la tension en V efficaces.   Avec un degré de pollution 2 et un groupe de matériaux IIIa, IIIb, on ne retient qu'une colonne :     Lignes de fuite (degré de pollution 2, "Autres matériaux", "IIIa, IIIb")   Exemple : - Si on souhaite une isolation renforcée pour une tension de 240V efficaces, il faut 4.8mm minimum (=2x2.4) de ligne de fuite entre les deux pistes.   Distance dans l'air et lignes de fuite : exemples concrets   1°) On souhaite créer une isolation principale avec une tension sinusoïdale de 400V efficaces (avec comme paramètres : degré de pollution 2, surtension réseau 2500V, autres matériaux IIIa, IIIb).   Distance dans l'air minimale : la tension crête vaut 400 x 1.414 = 570V crêteCette valeur se situe entre 420V exclus et 840V inclus.   On a donc : Distance dans l'air minimale = 3.2 mm   Ligne de fuite minimale :     On a donc : Ligne de fuite minimale = 4.0 mm (pour une tension efficace de 400V).   Conclusion : Il doit y avoir au moins 3.2 mm entre les deux pistes. - Si il y a moins de 4mm, le circuit imprimé doit être perforé pour augmenter la ligne de fuite jusqu'à 4mm au moins. - Si il y a plus de 4mm, pas de perforation obligatoire. 2°) On souhaite créer une isolation renforcée pour une tension sinusoïdale de 230V efficaces (avec comme paramètres : degré de pollution 2, surtension réseau 2500V, autres matériaux IIIa, IIIb). C'est par exemple, l'isolation souhaitée pour séparer le secteur d'une sortie TBTS.   Distance dans l'air minimale : la tension crête vaut 230 x 1.414 = 325V crêteCette valeur se situe entre 210V exclus et 420V inclus. On a donc :Distance dans l'air minimale : 4.0 mm   Ligne de fuite minimale : la tension efficace vaut 230V.Ligne de fuite minimale (d'après tableau) : 2.3 mm   Pour l'isolation renforcée, on double cette valeur : il faut au moins 4.6 mm de ligne de fuite.   Il doit y avoir au moins 4 mm entre les deux composants ou pistes. - Si il y a moins de 4 mm, le circuit imprimé doit être perforé pour augmenter la ligne de fuite jusqu'à 4.6mm au moins. - Si il y a plus de 4.6mm, pas de perforation obligatoire.   Conclusion : la ligne de fuite est souvent plus longue que la distance dans l'air : il faut donc perforer le circuit imprimé si le placement des composants est serré.

Les distances dans l'air doivent assurer que les surtensions qui peuvent entrer dans le matériel ou être produites à l'intérieur du matériel ne détruisent pas l'isolement. Il ne doit pas se produire de claquage (arc électrique entre deux conducteurs). Les distances dans l'air de la norme EN60950-1 sont données pour des fonctionnement jusqu'à 2000 m au dessus du niveau de la mer.  Les distances dans l'air doivent être augmentées pour des altitudes supérieures. On peut aussi intercaler un isolant solide.   Les distances dans l'air doivent être d'au moins :   - 10 mm pour un intervalle d'air assurant une isolation renforcée entre une partie sous tension dangereuse et une partie conductrice accessible de l'enveloppe d'un matériel.     - 2 mm si l'enveloppe du matériel est reliée à la terre.   Les distances dans l'air minimales spécifiées ne s'appliquent pas à la distance entre les contacts de coupe circuits thermiques, thermostats, interrupteurs...   Distances dans l'air sur circuit imprimé   Les valeurs en mm figurent dans l'article suivant : Distance d'isolement électrique : valeurs sur circuit imprimé   Ligne de fuite   Les lignes de fuite doivent assurer que, pour une valeur efficace de tension de service donnée et un degré de pollution, il n’y ait ni contournement ni rupture de l’isolation (par exemple dû au cheminement).   Attention aux câbles     Les passages prévus pour les câbles doivent être lisses et ne pas présenter d’arêtes vives. Les conducteurs doivent être protégés de manière à ce qu’ils n’entrent pas en contact avec des aspérités, des ailettes de refroidissement, des parties mobiles, etc., susceptibles d’endommager leur isolation. Les trous dans le métal pour le passage des conducteurs isolés doivent être convenablement arrondis ou munis de traversées.