CIRCUITS ELECTRIQUES
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p(t) = u(t)?i(t) est la puissance électrique consommée à l'instant t (ou puissance instantanée).Comment calculer l'impédance d'un circuit RC ?
Formule : Impédance
L'impédance, , d'un circuit est donnée par = ? + ( ? ) ? , ? ? ? ? ? ? où est la résistance du circuit, ? est la réactance inductive du circuit, et ? est la réactance capacitive du circuit.Comment calculer l'impédance d'un circuit RLC ?
R est la résistance totale du circuit, L est une inductance pure de réactance L? , C est la capacité du condensateur de réactance ? 1 / C?. L'impédance complexe du circuit est Z = R + j ( L? ? 1 / C?) = R + jX.- L'impédance d'un dipôle linéaire passif de bornes A et B en régime sinuso?l est le quotient de la tension entre ses bornes et de l'intensité du courant qui le traverse : Z = U I . Z est un nombre complexe qui a donc une forme algébrique : Z = R + i X, avec R et X des nombres réels.
LE COURS D'
TOUT EN FICH
ÉLECTRONIQUE
Sous la direction d'Yves Granjon
Professeur à l'université de Lorraine,
directeur de l'École européenne d'ingénieurs en génie des matériauxBruno Estibals
Professeur à l'université Paul Sabatier (Toulouse III)IUT-A, Département GEII
Serge Weber
Professeur à l'université de Lorraine,
chef du département électronique et électrotechnique de la faculté des Sciences et technologie, responsabledu master Électronique, Énergie électrique, Automatique9782100789313-Livre.indb 126/06/19 12:12
© Dunod, 2015, 2019
11 rue Paul Bert, 92240 Malakoff
www.dunod.comISBN 978-2-10-078931-3
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© Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit. IIITable des matières
Avant-propos VII
Comment utiliser cet ouvrage ? VIII
Remerciements X
Chapitre 1 Principes généraux de l'électrocinétique 1Fiche 1 Généralités et conventions 2
Fiche 2 Les différents types de générateurs 4 Fiche 3 Les dipôles passifs linéaires usuels 6 Fiche 4 Les régimes électriques dans les circuits 8 Fiche 5 Les lois de Kirchhoff en régime continu 10Fiche 6 Le théorème de Millman 12
Fiche 7 Les ponts diviseurs 14
Fiche 8 Le principe de superposition 16
Fiche 9 Les théorèmes de Thévenin et Norton 18 Fiche 10 Les circuits linéaires en régime sinusoïdal 20 Fiche 11 Le modèle complexe en régime sinusoïdal 22 Fiche 12 Le régime sinusoïdal - Méthode 24Fiche 13 La puissance électrique 26
Fiche 14 La puissance en régime sinusoïdal 28 Fiche 15 La modélisation des quadripôles 1 30 Fiche 16 La modélisation des quadripôles 2 32 Fiche 17 Les schémas équivalents des quadripôles 34Focus AC/DC 36
QCM 37
Exercices 39
Chapitre 2 Signaux et systèmes 43
Fiche 18 La notion de spectre 44
Fiche 19 Le spectre des signaux périodiques 46
Fiche 20 Le spectre des signaux non périodiques 48Fiche 21 La transformation de Laplace 1 50
Fiche 22 La transformation de Laplace 2 52
Fiche 23 La fonction de transfert d'un système 54 Fiche 24 Les méthodes de résolution des problèmes 56 Focus Signaux analogiques et signaux numériques 58QCM 59
Exercices 61
Chapitre 3 Les diodes 63
Fiche 25 La conduction électrique intrinsèque 64Fiche 26 La diode à jonction 66
Fiche 27 Le principe de fonctionnement de la diode 68 Fiche 28 Les caractéristiques électriques de la diode 70Fiche 29 La polarisation de la diode 72
Fiche 30 La puissance dissipée dans une diode 74Fiche 31 Les applications des diodes 76
Fiche 32 Le redressement double alternance 78
9782100789313-Livre.indb 322/06/19 14:06
IVFiche 33 Les régulateurs de tension 80
Focus Les ancêtres des semi-conducteurs 82
QCM 83
Exercices 85
Chapitre 4 Les transistors bipolaires 87
Fiche 34 Le transistor bipolaire 88
Fiche 35 La polarisation d'un transistor 90
Fiche 36 L'approche physique de la polarisation 92Fiche 37 Le fonctionnement en commutation 94
Fiche 38 Les montages à plusieurs transistors 96Focus Toute une gamme de transistors 98
QCM 99
Exercices 101
Chapitre 5 Les transistors bipolaires en régime dynamique 103 Fiche 39 Les paramètres hybrides du transistor NPN 104 Fiche 40 Le schéma équivalent du transistor 106Fiche 41 Les amplificateurs 108
Fiche 42 L'amplificateur à émetteur commun 110 Fiche 43 L'amplificateur à collecteur commun 112Fiche 44 L'amplificateur à base commune 114
Fiche 45 Le montage push-pull 116
Fiche 46 Le montage push-pull à correction de distorsion 118 Fiche 47 L'amplificateur différentiel simple 120Fiche 48 La réjection du mode commun 122
Fiche 49 Le montage Darlington en régime variable 124 Focus Les différentes classes d'amplificateurs 126QCM 127
Exercices 129
Chapitre 6 Les amplificateurs opérationnels en régime linéaire 131 Fiche 50 Les caractéristiques de l'amplificateur opérationnel 132 Fiche 51 Le fonctionnement linéaire de l'amplificateur opérationnel 134 Fiche 52 Les additionneurs et les soustracteurs 136Fiche 53 Les montages évolués 138
Fiche 54 De la théorie à la pratique 140
Fiche 55 Les montages dérivateurs et intégrateurs 142Fiche 56 L'oscillateur à pont de Wien 144
Focus Quand l'électronique résout les problèmes de physique 146QCM 147
Exercices 149
Chapitre 7 Les filtres analogiques linéaires 153Fiche 57 Les diagrammes de Bode 154
Fiche 58 Les diagrammes de Bode asymptotiques 156
Fiche 59 Les différents types de filtres 158
Fiche 60 Le filtre passif passe-bas du premier ordre 160Fiche 61 Le filtre actif passe-bande 162
Focus Musique ! 164
QCM 165
Exercices 167
9782100789313-Livre.indb 422/06/19 14:06
© Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit. V Chapitre 8 Les amplificateurs opérationnels en régime non linéaire 171Fiche 62 Le comparateur 172
Fiche 63 Le basculement d'un comparateur 174
Fiche 64 Le trigger de Schmitt inverseur 176
Fiche 65 Le trigger de Schmitt non inverseur 178
Fiche 66 Les montages astables et monostables 180
Focus Le circuit intégré 555 182
QCM 183
Exercices 185
Chapitre 9 Les transistors à effet de champ 189 Fiche 67 Les transistors à effet de champ à jonction 190Fiche 68 La polarisation des transistors JFET 192
Fiche 69 Le schéma équivalent en régime linéaire 194Fiche 70 Les amplificateurs à JFET 196
Fiche 71 Les transistors JFET en commutation 198
Focus Le bruit de fond 200
QCM 201
Exercices 203
Chapitre 10 Les circuits logiques combinatoires 207Fiche 72 Les fonctions logiques 208
Fiche 73 Les nombres binaires entiers 210
Fiche 74 L'algèbre de Boole 212
Fiche 75 Les circuits logiques combinatoires 214
Fiche 76 Méthode de conception d'un circuit combinatoire 216 Fiche 77 Simplification des fonctions logiques 218Fiche 78 Multiplexeur, démultiplexeur 220
Fiche 79 Encodeurs et décodeurs 222
Fiche 80 Le comparateur 224
Fiche 81 L'additionneur 226
Fiche 82 Le soustracteur 228
Fiche 83 Les caractéristiques technologiques des circuits combinatoires 230 Focus Du cristal de silicium à l'ordinateur 232QCM 233
Exercices 235
Chapitre 11 Les circuits logiques séquentiels 239Fiche 84 La logique séquentielle 240
Fiche 85 La fonction séquentielle synchrone 242Fiche 86 Les registres 244
Fiche 87 Les compteurs 246
Fiche 88 Les machines à nombre fini d'états 248Fiche 89 L'analyse de machines d'état 250
Fiche 90 La synthèse des machines d'état 252 Fiche 91 Le graphe d'état pour les systèmes non conditionnés 254 Fiche 92 Le graphe d'état pour les systèmes à évolution conditionnelle 256 Fiche 93 Les caractéristiques temporelles des systèmes séquentiels 258Focus Fabrication d'un circuit intégré 260
QCM 261
Exercices 263
9782100789313-Livre.indb 522/06/19 14:06
VI Chapitre 12 Les technologies des circuits numériques 267Fiche 94 Circuits TTL et CMOS 268
Fiche 95 La classification des circuits numériques 270Fiche 96 Les circuits PLD 272
Fiche 97 Les circuits FPGA 274
Fiche 98 Mémoires, notions générales 276
Fiche 99 Mémoires RAM et PROM 278
Fiche 100 Les circuits combinatoires à base de RAM 280 Fiche 101 Les machines d'états à base de mémoire et registre 282Focus Les nouvelles technologies mémoire 284
QCM 285
Exercices 287
Chapitre 13 Éléments d'instrumentation et de mesure 289Fiche 102 La mesure du courant 290
Fiche 103 La mesure d'une tension 292
Fiche 104 L'oscilloscope 294
Fiche 105 Les sondes de courant et différentielle 296Fiche 106 La chaîne d'instrumentation 298
Fiche 107 Les capteurs : principes généraux 300Fiche 108 Les capteurs actifs 302
Fiche 109 Les capteurs passifs 304
Fiche 110 Les convertisseurs analogique-numérique 306 Fiche 111 Les convertisseurs numérique-analogique 308 Focus Les capteurs solaires photovoltaïques 310QCM 311
Exercices 313
Chapitre 14 Éléments d'électronique de puissance 317 Fiche 112 Les composants en régime de commutation 318 Fiche 113 Introduction à l'électronique de puissance 320 Fiche 114 Les hacheurs série et parallèle 322 Fiche 115 Le hacheur série en conduction continue 324 Fiche 116 Le hacheur série en conduction discontinue 326 Fiche 117 Le hacheur parallèle en conduction continue 328 Fiche 118 Le hacheur parallèle en conduction discontinue 330Fiche 119 Les hacheurs à accumulation 332
Fiche 120 Les hacheurs à accumulation inductive en conduction continue 334 Fiche 121 Les onduleurs et la structure de pont en H 336 Focus Les convertisseurs et le photovoltaïque 338QCM 339
Exercices 341
Corrigés des exercices 344
Annexes 429
Index 435
9782100789313-Livre.indb 622/06/19 14:06
VII © Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit.Avant-propos
L'électronique est la discipline qui s'intéresse aux dispositifs électriques construits autour
de la technologie des semi-conducteurs. La plupart du temps, les courants et les tensions mis en oeuvre restent de faible amplitude, excepté en électronique de puissance. Le traitement du signal, les automatismes, l'informatique et d'une manière plus géné- rale, une grande partie des appareils que nous utilisons quotidiennement possèdent des systèmes électroniques. Que ce soit pour la commande des processus, le traitement de l'information, le contrôle ou la mesure des phénomènes, l'électronique apporte des solu- tions simples, ables et souples à un grand nombre de problèmes techniques. Cet ouvrage rassemble toutes les notions fondamentales de l'électronique: de la diode à jonction jusqu'aux systèmes logiques, en passant par les montages à transistors et à amplicateurs opérationnels. Il aborde également les bases de l'électronique de puissance qui, traditionnellement, sont plutôt étudiées en électrotechnique mais dont nous avons estimé qu'elles avaient leur place au sein d'un ouvrage consacré à l'électronique. Il est structuré en cent vingt et une ches et en quatorze chapitres développant chacun un thème particulier. Chaque che aborde un composant, un montage ou un principe. À la n de chaque chapitre, le lecteur pourra pousser sa réexion un peu plus loin à l'aide des focus proposés qui mettent en exergue des thématiques particulières. Après un QCM qui lui permettra de tester ses connaissances et de valider ses acquis, il pourra ensuite s'entraîner avec des exercices et des problèmes entièrement corrigés. Les solutions sont présentées dans leurs moindres détails en insistant systématiquement sur les méthodesà assimiler et sur le savoir-faire à acquérir absolument pour être capable de résoudre
n'importe quel problème d'électronique. Chaque chapitre propose des exercices de dif-cultés variées. Il est conseillé de les aborder dans l'ordre, sans chercher à brûler les étapes
en négligeant tel ou tel qui paraît trop facile et sans succomber à la tentation de lire trop
rapidement la solution. Certains de ces exercices sont de grands classiques; d'autres sontplus originaux. Ils ont tous vocation à guider l'étudiant vers la maîtrise de l'électronique
et des fonctions qu'elle permet de réaliser, et de l'aider à acquérir sufsamment d'aisance pour aborder avec succès des problèmes de plus en plus sophistiqués. L'électronique n'est pas une discipline extrêmement compliquée pour qui l'aborde avec rigueur et méthode. Elle nécessite toutefois que le lecteur soit familiarisé avec les loisfondamentales de l'électrocinétique, que ce soit en régime continu, sinusoïdal ou transi-
toire. Ces notions sont rappelées dans le premier chapitre qui rassemble les principaux résultats et théorèmes qu'il est indispensable de connaître. Les prérequis de mathématiques de l'électronique ne sont pas nombreux: ils concernentl'analyse des fonctions réelles, le calcul différentiel et intégral et les nombres complexes.
Le formulaire situé en annexe à la n de l'ouvrage regroupe toutes les formules de mathé- matiques utiles à l'électronicien. Cet ouvrage a été conçu avec le souci constant de rendre l'électronique accessible au plus grand nombre. Nous souhaitons que chaque lecteur puisse y trouver les clés de sa réussite.9782100789313-Livre.indb 722/06/19 14:06
VIII120 fiches de cours
Les notions essentielles avec des renvois
pour naviguer d'une fiche à l'autre14 chapitres auquels sont associés des bonus web à retrouver sur dunod.comComment utiliser
De très
nombreux schémas Des renvois entre fichesDes conseils méthodologiquesObjectifs
Chapitre 1
Principes généraux
de l'électrocinétique 24Le régime sinusoïdal - Méthode
expressions de grandeurs électriques, courants ou tensions, dans un montage alimenté par une so urce sinusoïdale, par exemple e t E teff( ) cos=2w.12.1.a, on ch
er che à déterminer l"expression de u(t). ( )e tR( )u t
A C effE E= RU A 1 jC a b12.1.b) et
on y applique le principe du pont diviseur de tension : UR R jCE jRC jRCEeff= +=+11 ww w Nous savons déjà que la tension u(t) est sinusoïdale de même pulsation que e(t) puisque sage par rapport à e : u t U teff( ) cos( )=+2w j. On aU U ejRC
jRCEeffjeff= =+ j w w1.Soit :
U URC E
R Ceffeff= =+
w w 1 2 2 2Exemple
12 © Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit. 25Exercices
QCMFiche 12
Chapitre 1
Et : arg argarg( ) arg(UjRC jRCE jRC jReff 1CCRC 12) arctan( ).
D"où :
u t U teff( ) cos 2 .Soit :
u t ERCR CtRCeff( )cos arctan( )
2122 2 2 =-j De même qu'il ne faut jamais oublier que le module d'un quotient est égal au quotient des modules, il faut également se souvenir que l'argument d'un quotient est égal à la différence entre l'argument du numérateur et celui du dénominateur. Le lecteur devra également se souvenir des propriétés suivantes : arg( ) arctan arg( ) arctana b b aa a b b a jpour jp0 ooura0 Ce sont ces propriétés qui sont couramment utilisées pour calculer les modules et arguments des nombres complexes en électrocinétique. jj Dans la représentation complexe, en prenant soin de considérer l"impédance complexe de chaque dipôle, les lois et théorèmes fondamentaux de l"électricité qui gouvernent les
circuits en régime continu restent valables en régime sinusoïdal : lois de Kirchhoff, théo-
r ème de Millman, principe de superposition, théorèmes de Thévenin et de Norton. Lesrègles qui régissent les associations de dipôles sont également transposables au modèle
complexe. =-j Dans le schéma électrique transposé à sa représ en tation complexe, toutes les lois de l'électricité valables pour le régime continu, s'appliquent aux grandeurs et variables complexes.quotesdbs_dbs19.pdfusesText_25[PDF] régime permanent
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