[PDF] Les capteurs 62 exercices et problemes corriges - Dunod

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TOUT LE COURS EN FICHES

IUT Licence Écoles d"ingénieursSous la direction d"Yves Granjon

Professeur à l"université de Lorraine,

directeur du Collégium Lorraine INP Bruno Estibals Professeur à luniversité Paul Sabatier (Toulouse III)

Chef du département GEII de lIUT

Serge Weber

Professeur à luniversité de Lorraine

© Dunod, 2015

5 rue Laromiguière, 75005 Paris

www.dunod.com ISBN 978-2-10-072222-8Illustration de couverture : Circuit Board © Raimundas - Fotolia.com © Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit. III

Table des matières

Avant-propos VII

Comment utiliser cet ouvrage ? VIII

Remerciements X

Chapitre 1 Principes généraux de lélectrocinétique 1

Fiche 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 10

Fiche 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 24

Fiche 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 34

Focus 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 48

Fiche 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 58

QCM 59

Exercices 61

Chapitre 3 Les diodes 63

Fiche 25 La conduction électrique intrinsèque 64

Fiche 26 La diode à jonction 66

Fiche 27 Le principe de fonctionnement de la diode 68 Fiche 28 Les caractéristiques électriques de la diode 70

Fiche 29 La polarisation de la diode 72

Fiche 30 La puissance dissipée dans une diode 74

Fiche 31 Les applications des diodes 76

IV

Fiche 32 Le redressement double alternance 78

Fiche 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 92

Fiche 37 Le fonctionnement en commutation 94

Fiche 38 Les montages à plusieurs transistors 96

Focus 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 106

Fiche 41 Les amplificateurs 108

Fiche 42 Lamplificateur à émetteur commun 110 Fiche 43 Lamplificateur à collecteur commun 112 Fiche 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 120

Fiche 48 La réjection du mode commun 122

Fiche 49 Le montage Darlington en régime variable 124 Focus Les différentes classes d'amplificateurs 126

QCM 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 136

Fiche 53 Les montages évolués 138

Fiche 54 De la théorie à la pratique 140

Fiche 55 Les montages dérivateurs et intégrateurs 142

Fiche 56 Loscillateur à pont de Wien 144

Focus Quand lélectronique résout les problèmes de physique 146

QCM 147

Exercices 149

Chapitre 7 Les filtres analogiques linéaires 153

Fiche 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 160

Fiche 61 Le filtre actif passe-bande 162

© Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit. V

Focus Musique ! 164

QCM 165

Exercices 167

Chapitre 8 Les amplificateurs opérationnels en régime non linéaire 171

Fiche 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 190 Fiche 68 La polarisation des transistors JFET 192 Fiche 69 Le schéma équivalent en régime linéaire 194

Fiche 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 207

Fiche 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 218

Fiche 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 232

QCM 233

Exercices 235

Chapitre 11 Les circuits logiques séquentiels 239

Fiche 84 La logique séquentielle 240

Fiche 85 La fonction séquentielle synchrone 242

Fiche 86 Les registres 244

Fiche 87 Les compteurs 246

Fiche 88 Les machines à nombre fini détats 248 Fiche 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 VI Fiche 93 Les caractéristiques temporelles des systèmes séquentiels 258 Focus Fabrication dun circuit intégré 260

QCM 261

Exercices 263

Chapitre 12 Les technologies des circuits numériques 267

Fiche 94 Circuits TTL et CMOS 268

Fiche 95 La classification des circuits numériques 270

Fiche 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 282

Focus Les nouvelles technologies mémoire 284

QCM 285

Exercices 287

Chapitre 13 Éléments dinstrumentation et de mesure 289

Fiche 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 296

Fiche 106 La chaîne dinstrumentation 298

Fiche 107 Les capteurs : principes généraux 300

Fiche 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 310

QCM 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 330

Fiche 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 338

QCM 339

Exercices 341

Corrigés des exercices

343

Annexes 429

Index 435

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 œuvre 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 ampli?cateurs 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 ré?exion 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 méthodes

à 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 sont

plus 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 suf?samment 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 lois

fondamentales 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 concernent

l"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. VIII

120 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.com

Comment utiliser

De très

nombreux schémas Des renvois entre fichesDes conseils méthodologiques

Objectifs

Chapitre 1

Principes généraux

de l"électrocinétique Avec les spécificités qui lui sont propres, l"électronique reste un domaine qui s

"intègre dans la discipline de l"électricité générale. À cet égard, les lois, les prin-

cipes fondamentaux, les théorèmes et les méthodes développées pour résoudre l es problèmes sont les mêmes. Ce chapitre rassemble les outils génériques de l"électrocinétique qui sont utiles à l"étude des circuits électroniques. Le lecteur y r etrouvera tous les théorèmes fondamentaux ainsi que les méthodes qui sont propres à chaque type de régime de fonctionnement des circuits. 24
fiche

Le régime sinusoïdal - Méthode

1. La transposition au modèle complexe

expressions de grandeurs électriques, courants ou tensions, dans un montage alimenté par une source sinusoïdale, par exemple et E teff() cos=2w.

12.1.a, on cherche à déterminer lexpression de u(t).

()et R()ut A C effEE= RU A 1 jC Z a b

Figure 12.1

12.1.b) et

on y applique le principe du pont diviseur de tension : UR R jCE jRC jRCEeff= +=+11 ww w

2. Le retour au modèle temporel

Nous savons déjà que la tension u(t) est sinusoïdale de même pulsation que e(t) puisque sage par rapport à e : ut U teff() cos( )=+2wj.

On a :

UUejRC

jRCEeffjeff==+ j w w 1

Soit :

UURC E

RCeffeff==+

w w 1 222

Exemple

12

Fiche 15

© Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit. 25

Exercices

QCM

Fiche 12

Chapitre 1

Et : jw ww==+Ê

¯˜=-arg arg arg( ) arg(UjRC

jRCE jRC jReff 1

CCRCwpw+=-12)arctan().

Doù :

ut U teff() cos=+()2wj.

Soit :

ut ERC

RCtRCeff() cos arctan( )=++-

212
222
w wwpw

Important

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( ) arctanab b aa ab b a+= > += ±j pour jp0 pooura<0 Ce sont ces propriétés qui sont couramment utilisées pour calculer les modules et arguments des nombres complexes en électrocinétique.

3. Le principe général

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-

rème de Millman, principe de superposition, théorèmes de Thévenin et de Norton. Les

règles qui régissent les associations de dipôles sont également transposables au modèle

complexe.

Important

Dans le schéma électrique transposé à sa représentation complexe, toutes les lois de l"électricité valables pour le régime continu, s"appliquent aux grandeurs et variables complexes. Si la méthode présentée ici est simple dans son principe, il n"en demeure pas moins qu"elle exige une bonne maîtrise de la manipulation des nombres complexes. On trou- utiles dans ce domaine, entre autres. Il est recommandé de sexercer autant que de besoin sinusoïdal. II II © Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit. IX © Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit. 3939
© Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit. QCM Fiche

Exercices

Chapitre 1

EXERCICES

1.1 la résistance équivalente du dipôle AB ainsi formé par cette association. A 3

60R= Ω

1

100R= Ω

B 4

25R= Ω

2

50R= Ω

1.2

U inconnue.

A

0,3AI=8R=

ΩB 5VE= ?U= 1.3

U inconnue.

A

0,1AI=30R=

ΩB 15VE= ?U= 1.4 condition sur les quatre résistances R1, R2, R3, R4, de manière à ce que le courant

I dans R5 soit

nul.

En considérant que

I est nul, déterminer l"expression de

VA. Puis déterminer lexpression de

VB. En déduire la condition recherchée.

1R E 2R I A B 3R 4R 5R

Des focus sur une page

à la ?n de chaque chapitreDes QCM

en fin de chapitre pour s"auto-évaluerDes exercices en fin de chapitre pour réviser (corrigés en ?n d"ouvrage)

Les réponses

commentées au verso cet ouvrage ? FOCUS 200

Le bruit de fond

Les dispositifs électroniques délivrent, captent, mesurent, transforment et traitent des signaux élec-

être sensibles par exemple aux signaux électromagnétiques ambiants, les capter et les mélanger aux

signaux utiles. Ils peuvent aussi produire eux-mêmes de tels signaux parasites comme par exemple le

bruit de fond. Il s"agit là d"un phénomène dû en particulier au mouvement erratique des électrons dans

les conducteurs qui génère des forces électromotrices aléatoires qui se superposent aux signaux traités.

Si on repr

end l"exemple d"un ampli audio, nous avons tous constaté qu"en l"absence de signal et en t

La détection synchrone

ce qui concerne sa composition spectrale. Ainsi, il est fréquent que le bruit soit plus important dans les

basses fréquences. Dans ces conditions, une astuce consiste à décaler le spectre des signaux utiles vers

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