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Les composants électroniques de commutation
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année option électronique année 00/01Chapitre I : Introduction
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Chapitre I
INTRODUCTION
Sommaire
1 GENERALITES...............................................................................................................3
1.1 S TRUCTURES DES MONTAGES A COMMUTATION..............................................................41.1.1 Montage utilisant un interrupteur en commutation ...............................................4
1.1.2 Montage utilisant une combinaison d'interrupteur................................................5
1.1.3 Circuits logiques ....................................................................................................6
1.2 CARACTERISTIQUES DES INTERRUPTEURS.......................................................................6
1.3 SCHEMA EQUIVALENT DES COMPOSANTS........................................................................7
2 CIRCUIT RC SOUMIS A UN CRENEAU....................................................................8
2.1 ETUDE D'UN CAS GENERAL..............................................................................................9
2.1.1 Calcul de la réponse libre ou de la solution générale de l'ESSM s
g (t)..................92.1.2 Calcul de la réponse forcée ou de la solution particulière de l'EASM s
p (t). .......102.1.3 Détermination de la solution générale de l'équa diff. (1)....................................10
2.1.4 Tracé de e(t) et s(t)...............................................................................................11
2.1.5 Expression analytique de temps caractéristiques ................................................11
Chapitre I : Introduction
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Les composants électroniques de commutation
Chapitre I
INTRODUCTION
1 Généralités
Nous avons à notre disposition de nombreux composants électroniques qui nous permettent deréaliser une infinité de montages. Ceux ci peuvent être répartis selon deux grandes familles :
- les montages à fonctionnement linéaire, - les montages à fonctionnement Tout Ou Rien (TOR).Les montages à fonctionnement linéaire
servent en général à transformer de façon continue des phénomènes physiques en signaux électriques.Exemples :
* la voix d'un chanteur est captée par un microphone puis, elle est plus ou moins amplifiée pour être restituée par des enceintes acoustiques. * Un thermomètre électronique donne en permanence les variations de température.Dans ce type d'application la sortie est proportionnelle à l'entrée et de façon grossière
elles sont reliées par un gain. L'information est traduite en continu, c'est ce que l'on a coutume d'appeler l'électronique analogique.Les montages à fonctionnement TOR
utilisent des composants qui ne donnent qu'une information binaire; vrai ou faux. Ils sont souvent appelés INTERRUPTEURS. Attention: ce qui ne signifie pas obligatoirement une sortie numérique. On souhaite que la sortie recopie au mieux l'entrée mais le rapport est constant et peu important. La meilleure image que l'on puisse trouver bien qu'elle ne soit pas électronique est le relais. Ici, l'information est discrète, elle est issue de la commutation d'un ou plusieurs composants (généralement de puissance).Chapitre I : Introduction
Cours de commutation version du 19/01/06 à 13:01 Didier MagnonPage 4/12
Exemples :
* électronique de puissance, hacheur, onduleur, redresseur, gradateur (variateur de lumière), * électrotechnique, Commande de relais, relais statique, * électronique faible courant, circuits logiques, détection (démodulation àéchantillonnage).
Certains composants sont plus dédiés à l'un ou l'autre type de montage, mais dans la plupart
des cas, les composants discrets (diode, transistor, ...) peuvent être utilisés en fonctionnement
linéaire ou en commutation. Donc de façon analogue à l'électronique analogique, il est impératif en commutation dedéterminer les caractéristiques de fonctionnement d'un composant utilisé en interrupteur. Ils
est donc nécessaire de faire une étude systématique pour déterminer le dimensionnement d'un
composant et de son radiateur en fonction des empiétements générés par la commutation.1.1 STRUCTURES DES MONTAGES A COMMUTATION
1.1.1 Montage utilisant un interrupteur en commutation
On met en relation une source (tension ou courant) et une charge à l'aide d'un interrupteur. Le schéma est alors le suivant :Figure 1 : Montage à un seul interrupteur
Source
Charge
Interrupteur
Chapitre I : Introduction
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1.1.2 Montage utilisant une combinaison d'interrupteur
On met en relation une source (tension ou courant) et une charge à l'aide d'une combinaison d'interrupteurs. Le montage le plus connu est le pont en H (dû à sa structure) dont la représentation est la suivante:Figure 2 : Structure ou pont en H.
Supposons que la charge soit un moteur à courant continu. Deux fonctionnements sont possibles.Soit les interrupteurs forment les couples
Q1, Q4 et Q3,Q2.
Si le couple Q1,Q4 est fermé, Q3,Q2 est
ouvert et la charge voit la tension V ESi le couple Q3,Q2 est fermé, Q1,Q4 est
ouvert et la charge voit la tension -V ELa tension aux bornes de la charge peut
être modulée par ouverture et fermeture
successives de l'un ou des deux interrupteurs fermés.Soit les interrupteurs forment les couples
Q1,Q2 et Q3,Q4. Au repos Q2 et Q4 sont fermés.Soit on ouvre Q2 et l'on ferme Q1 la
charge voit V E , soit on ouvre Q4 et on ferme Q3, la charge voit -V E . Mais la plupart du temps on ferme par impulsionsQ1 (respectivement Q3) et évidemment on
ouvre par impulsions complémentaires Q2 (respectivement Q4), le transistor Q4 (respectivement Q2) reste fermé. Ainsi on réalise une modulation de 0 à V E (respectivement de 0 à -V E ) au point chaud de la charge. Dans tous les cas la charge peut recevoir une tension dont la valeur moyenne est variable et dont la polarité peut être inversée. VEChargeQ1
Q2Q3 Q4Chapitre I : Introduction
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Remarque 1 : Quand le moteur est en rotation, on peut le freiner rapidement en ouvrant les interrupteurs Q1 et Q3 et en fermant Q2 et Q4. Remarque 2 : On perçoit facilement que cet astucieux montage demande une gestion rigoureuse des instants de commutation de chaque interrupteur. En effet, les empiétements de Q1 et Q2 par exemple peuvent être fatals aux composants. Les constructeurs (Linear technologies, Toshiba, ...) nous proposent des circuits spéciaux appelés Drivers pour demi- pont ou pont en H. Ce type de pont est très souvent piloté par une Modulation en Largeur d'Impulsion (MLI) dont l'équivalent anglo-saxon est : Pulse Witdh Modulation (PWM). Dans la plupart des cas, les structures peuvent se ramener, pour une plage de temps donné, àun circuit à un seul interrupteur. L'usage des théorèmes de Thévenin et de Norton facilitera
bien souvent l'étude.1.1.3 Circuits logiques
Avec ces circuits l'utilisateur n'est pas maître des commutations. Par conséquent, cette étude
est faite vue de l'extérieur en prenant en compte les informations disponibles sur les data sheetélaborés par les constructeurs.
1.2 CARACTERISTIQUES DES INTERRUPTEURS
L'interrupteur idéal se ferme et s'ouvre instantanément. Lorsqu'il est fermé, la tension à ses
bornes est nulle (R on nulle). Lorsqu'il est ouvert, il n'y a aucun courant qui le traverse (R off infinie).L'interrupteur réel est défini par :
un temps de fermeture t on un temps d'ouverture t off une tension de déchet à la fermeture, V on0 (bipolaire), R
on0 (MOS),
Chapitre I : Introduction
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un courant de fuite à l'ouverture, I fuite0 (bipolaire), R
off (MOS).Ces paramètres ont des valeurs qui dépendent des matériaux utilisés (semi-conducteurs). En
fait, ils traduisent des résistances, des condensateurs et des inductances parasites. L'étude des commutations passe obligatoirement par la connaissance d'un schéma équivalentdu composant. Ce dernier permet d'établir les formes d'ondes (dépendant des caractéristiques
intrinsèques de l'interrupteur et du circuit extérieur) présentes aux bornes du composant. La
connaissance analytique de ces signaux permet de calculer les temps de commutation et les pertes par commutation.1.3 SCHEMA EQUIVALENT DES COMPOSANTS
Tous les composants électroniques de commutation sont fabriqués à partir de semi- conducteurs qui appartiennent au groupe IV de la classification périodique de Mendéléev(chaque atome possède quatre électrons de valence). Ils possèdent une ou plusieurs jonctions
PN qui admettent un champ électrique qu'elles soient bloquées, passantes ou non reliées à un
circuit extérieur. a) b) c) Figure 3 : champ électrique d'une jonction PN, a) libre, b) bloquée et c) passante. Le champ électrique fait qu'à chaque extrémités de la jonction PN nous avons uneconcentration de charges de signe opposé. Ces charges "triées" et distantes sont réparties de
façon analogue à ce que l'on trouve dans un condensateur. Par conséquent une jonction PN présente toujours un effet capacitif. PN ep barrière de potentiel PN ep E PN e p EChapitre I : Introduction
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Lorsque la jonction est passante, il existe un courant qui dépend du champ électrique mais aussi de la structure cristalline du semiconducteur. En effet, la mobilité des charges(thermique ou électrique) bien que très grande n'est pas infinie. Autrement dit, les électrons de
la bande de conduction sont accélérés sous l'action du champ électrique appliqué et vont se
heurter aux atomes de la structure cristalline du composant, ce qui ralenti peu ou prou leur vitesse. Tout se passe comme si le barreau du semiconducteur présentait une résistance. On parle de résistance série du composant.Ces jonctions pour être utilisables doivent être reliés aux pattes du boîtier choisi. Plusieurs
techniques existes, la plus courante consiste à relier la puce aux pattes par l'intermédiaire de
fils d'aluminium 1 ou d'or 2 . Or tout fil possède un effet inductif (1µH/m dans l'air) par conséquent, un composant en commutation peu présenter également un effet inductif. Donc on pourra toujours, même pour des composants multicouches, ramener le composant en commutation à un circuit relativement simple composé essentiellement de condensateurs et de résistances, voire d'inductances.2 Circuit RC soumis à un CRENEAU
Considérons le circuit suivant :
Figure 4 : Etude d'un circuit RC soumis à une excitation en créneau i c (t) = dq(t)/dt; q(t)=cv c (t); ic(t)= cdv c (t)/dt or 1 Wedge bonding, ultrason à température ambiante (cf besson p 70). 2 Ball bonding, ultrason entre 150 et 180°C (cf besson p 70). K EF Ei e(t)R Cs(t) i(t)Chapitre I : Introduction
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S(t) = Vc(t)
et e(t) = Ri(t) + S(t) d'où e(t) = RcdVc(t)/dt + Vc(t) (1)C'est une équation différentielle du 1
er ordre à coefficients constants.2.1 ETUDE D'UN CAS GENERAL
Soit un créneau quelconque suffisamment long devant le temps de commutation du composant de telle sorte qu'il soit vu pour cet instant précis comme un échelon. Alors nous le définissons comme suit :Figure 5 : Echelon appliqué au circuit RC
Que devient la sortie s(t)? Pour le savoir, il suffit de résoudre l'équation différentielle (1).
Dans un premier temps résolvons cette équation de façon classique en ignorant les transformées de LAPLACE.2.1.1 Calcul de la réponse libre ou de la solution générale de l'ESSM s
g (t). Cette solution dépend des conditions initiales. L'équation (1) devient :0)()(tsdttdsRC
gg posons RC )()(tsdttds gg soit encore dtstds gg 1)( e(t) Ef Ei tChapitre I : Introduction
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nous pouvons appliquer sur chaque membre de cette équation l'opérateur intégrale. dtstds gg1)( ceci est équivalent à :
)ln(Kts g Soit en multipliant cette égalité par la fonction exponentielle on obtient : Kt g eets soit encore : t gquotesdbs_dbs9.pdfusesText_15[PDF] les composants internes d'un ordinateur
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