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3 e édition

Composants electroniques : Aide-memoire

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    TS LECTR

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    ISBN 2 10 048885 6

    AIDE-MMOIRE DE LINGNIEUR

    Pierre May

    COMPOSANTS LECTRONIQUES

    PIERRE MAY

    est agrg de physique et ingnieur en lectronique et lectromcanique.Il enseigne en BTSdlectronique Arras.Il est lauteur de plusieursouvrages spcialissen lectronique etlectrotechnique.

    www.dunod.com

    Cet aide-mmoire dcrit de manire simple etpratique les principales caractristiques descomposants de base, analogiques ou logiques, dellectronique : leurs proprits physiques et leurs principes de

    fonctionnement ; leurs caractristiques technologiques ; leurs domaines dutilisation travers des

    applications concrtes.Cette 3e dition, revue et actualise, propose unnouveau chapitre traitant des thyristors et des triacs.Avec prs de 150 schmas, un panorama desdiffrentes sources dinformations techniques et unindex dtaill, louvrage constitue un prcieux outilde travail pour tous les lectroniciens, dbutants ouconfirms, ainsi que pour les techniciens nonspcialistes du domaine.

    3 e dition deConnatre les composantslectroniques

    3e dition

    NordCompoFichier en pice jointe9782100488858_couverture.jpg

  • Composants lectroniques

    Aide-mmoire

    May Page I Jeudi, 20. janvier 2005 2:44 14

  • C

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    LE

    MME

    DITEUR

    Hermann Schreiber

    Llectronique par la schma,

    416 p.

    Roger Bourgeron

    2000 schmas et circuits lectroniques,

    600 p.

    Bogdar Grabowski

    Aide-mmoire dlectronique,

    528 p.

    May Page II Jeudi, 20. janvier 2005 2:44 14

  • Pierre May

    Aide-mmoire

    Composants lectroniques

    3

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    dition

    May Page III Jeudi, 20. janvier 2005 2:44 14

  • D

    U

    MME

    AUTEUR

    Les Infrarouges en lectronique

    , Dunod, 2003

    Optolectronique industrielle

    , Dunod, 2001

    Moteurs lectroniques

    , Dunod, 2001

    Les Alimentations lectroniques

    , Dunod, 2001

    Llectronique par lexprience,

    Dunod, 2000

    Illustrations : Alain et Ursula B

    OUTEVEILLE

    Dunod, Paris, 2005

    Dunod, Paris, 2000 Frquences, Paris, 1989 pour la premire dition

    ISBN 2 10 048885 6

    May Page IV Jeudi, 20. janvier 2005 2:44 14

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    NTRODUCTION

    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

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    HAPITRE

    1 - R

    SISTANCES

    ET

    POTENTIOMTRES

    . . . . . 3

    1.1 Principe et proprits . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3Loi dOhm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3Rsistivit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4Effet Joule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5Symboles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5Associations de rsistances . . . . . . . . . . . . 5

    1.2 Caractristiques technologiques (rsistances fixes) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

    Prcision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8Valeurs normalises . . . . . . . . . . . . . . . . . 8Marquage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10Puissance maximale . . . . . . . . . . . . . . . . . 13Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

    1.3 Rsistances variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14Potentiomtres de rglage . . . . . . . . . . . . 14Rsistances ajustables . . . . . . . . . . . . . . . 15

    1.4 Domaines dutilisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

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    LES

    COMPOSANTS

    LECTRONIQUES

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    ONDENSATEURS

    . . . . . . . . . . . . . . . 29

    2.1 Principe et proprits . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29Capacit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29nergie emmagasine . . . . . . . . . . . . . . . 30Symbole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30Associations de condensateurs . . . . . . . . . 31Courbes de charge et de dcharge . . . . . . 34Comportement en alternatif . . . . . . . . . . . . 38

    2.2 Caractristiques technologiques . . . . . . . . . . . 40Valeurs et prcision . . . . . . . . . . . . . . . . . 40Tension maximale . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40Marquage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41Condensateurs variables . . . . . . . . . . . . . 44

    2.3 Domaines dutilisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

    C

    HAPITRE

    3 - B

    OBINES

    ET

    TRANSFORMATEURS

    . . . . . . 55

    3.1 Principe et proprits . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55Inductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55nergie emmagasine . . . . . . . . . . . . . . . 56Non-linarit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57Symboles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57Associations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57Transformateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57tablissement du courant dans une bobine . 60Bobine en alternatif . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

    3.2 Caractristiques technologiques . . . . . . . . . . . 64Bobines noyau de fer . . . . . . . . . . . . . . 64Bobines noyau de ferrite . . . . . . . . . . . . 66Bobines air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

    3.3 Domaines dutilisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

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    IODES

    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

    4.1 Principes et proprits . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77Constitution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77Symboles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77Fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78Diode Zener . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79Diode varicap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80Photodiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81Diode lectroluminescente . . . . . . . . . . . . 82

    4.2 Caractristiques technologiques . . . . . . . . . . . 83Limites de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . 83Marquage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84Ponts mouls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

    4.3 Domaines dutilisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

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    RANSISTORS

    . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

    5.1 Principe et proprits . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97Transistors bipolaires . . . . . . . . . . . . . . . . 97Transistors effet de champ jonction . . . 103Transistors MOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104Phototransistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105Photocoupleurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

    5.2 Caractristiques technologiques . . . . . . . . . . . 106Transistors bipolaires . . . . . . . . . . . . . . . . 106Transistors effet de champ . . . . . . . . . . . 107Transistors MOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107Transistors dans les circuits intgrs . . . . . . 107Critres de choix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108Botiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

    5.3 Domaines dutilisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

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    LES

    COMPOSANTS

    LECTRONIQUES

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    HYRISTORS

    ET

    TRIACS

    . . . . . . . . . . . . 119

    6.1 Principe et proprits . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119Thyristors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119Triacs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

    6.2 Caractristiques technologiques . . . . . . . . . . . 124Critres de choix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124Botiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

    6.3 Domaines dutilisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124Avertissement important . . . . . . . . . . . . . . 124Montages thyristors . . . . . . . . . . . . . . . . 124Montages triacs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

    C

    HAPITRE

    7 - C

    IRCUITS

    INTGRS

    ANALOGIQUES

    . . . . . 131

    7.1 Gnralits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1317.2 Amplificateur oprationnel . . . . . . . . . . . . . . 1347.3 Rgulateur de tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1407.4 Convertisseur dcoupage . . . . . . . . . . . . . . 1437.5 Temporisateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

    C

    HAPITRE

    8 - C

    IRCUITS

    INTGRS

    LOGIQUES

    . . . . . . . 147

    8.1 Gnralits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1478.2 Circuits combinatoires . . . . . . . . . . . . . . . . . 1508.3 Circuits squentiels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1548.4 Astables et monostables . . . . . . . . . . . . . . . . 155

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    OCUMENTATION

    SUR

    LES

    COMPOSANTS

    . . . . . . . . . . . . 161

    9.1 Diverses formes de documents . . . . . . . . . . . . 161Documents sur papier . . . . . . . . . . . . . . . 161Documents informatiques . . . . . . . . . . . . . 162Sites Internet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

    9.2 Contenu dune notice technique . . . . . . . . . . . 164

    I

    NDEX

    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

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    NTRODUCTION

    Bien connatre les composants est une condition ncessaire laconception et la ralisation des montages lectroniques. Cetouvrage permet au dbutant dacqurir quelques solides notions surles composants les plus rpandus. On y trouve les principes et lescaractristiques technologiques, mais aussi des indications sur lesapplications les plus frquentes. On peut se servir de ce livre poursinitier aux diffrents composants lectroniques, mais cest gale-ment un petit aide-mmoire consulter lorsque cela est ncessaire.

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    HAP ITRE

    1

    SISTANCES

    ET

    POTENTIOMTRES

    Trs visibles grce leurs anneaux de diffrentes couleurs, lesrsistances sont des composants que lon remarque tout de suite surpratiquement toutes les cartes lectroniques. Malgr leur comporte-ment extrmement simple, les rsistances restent les lments lesplus rpandus de llectronique.

    1.1 Principe et proprits

    Loi dOhm

    Une rsistance est un diple (composant deux bornes) tel que latension

    U

    ses bornes est proportionnelle au courant

    I

    qui letraverse (loi dOhm) :

    U

    =

    RI

    Le coefficient de proportionnalit

    R

    est appel rsistance du diple.Une ambigut existe en franais puisque lon dsigne par le mmemot lobjet et un nombre

    R

    qui le caractrise. La langue anglaisevite ce problme en dsignant llment par

    resistor

    et le nombrepar

    resistance

    . Ce coefficient

    R

    chiffre la plus ou moins grande diffi-cult que rencontre le courant lectrique pour traverser le diple.Lunit de rsistance est lohm (symbole

    ), du nom du physicienallemand G. S. Ohm qui a tudi les lois des circuits lectriques.Devant la diversit des valeurs des rsistances, on emploie les multi-ples et ventuellement les sous-multiples de lohm. Les correspon-dances sont donnes dans le

    tableau 1.1

    .

    R

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    LES

    COMPOSANTS

    LECTRONIQUES

    4

    Pour les composants lectroniques, on utilise surtout le kilo-ohm etle mgohm. Le milliohm apparat seulement pour chiffrer desrsistances parasites comme les rsistances de contact. Les fils deliaison dans les montages lectroniques sont des conducteurs de trsfaible rsistance. On peut en gnral considrer que la tension leurs bornes est ngligeable quel que soit le courant qui les traverse :tout se passe comme si la rsistance tait nulle, on dit quil sagitdun court-circuit.

    Rsistivit

    La rsistance dpend la fois des dimensions du conducteur et desa nature. Par exemple, la rsistance dun fil (

    figure 1.1

    ) est propor-tionnelle sa longueur

    l

    et inversement proportionnelle sasection

    s

    :

    Tableau 1.1 Multiples et sous-multiples de lohm.

    Nom Symbole Valeur en

    Milliohm m

    0,001

    Kilo-ohm k

    1 000

    Mgohm M

    1 000 000

    R ls---=

    Figure 1.1 Rsistance dun fil conducteur.

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    HAPITRE

    1 - R

    SISTANCES

    ET

    POTENTIOMTRES

    5

    Le coefficient

    est caractristique dun matriau donn et senomme rsistivit. Lunit de rsistivit est lohm-mtre (symbole

    m) puisque

    l

    sexprime en mtres et

    s

    en mtres carrs.

    Effet Joule

    Un phnomne important dans une rsistance est leffet Joule (dunom dun physicien anglais qui a tudi les lois de la chaleur). Unersistance parcourue par un courant consomme une nergie lectri-que et la transforme en chaleur. La puissance correspondante (quicorrespond un dbit dnergie) sexprime par lune des troisformules, quivalentes grce la loi dOhm :

    Lunit de puissance est le watt (symbole W). On emploie assezsouvent en lectronique son sous-multiple, le milliwatt (mW) quivaut 0,001 W. La puissance dissipe par effet Joule dans un compo-sant est un problme important en lectronique. Tout dabord, ilsagit dune puissance perdue pour le circuit lectrique et qui doitdonc lui tre fournie (en gnral par une source de tension conti-nue), et ensuite, il se pose souvent un problme dvacuation de lachaleur cre car les petites dimensions des montages rendent diffi-ciles les changes thermiques. Ces questions se posent essentielle-ment pour les montages qui traitent des courants assez levscomme les amplificateurs de puissance ou les alimentations.

    Symboles

    Sur les schmas, les rsistances sont reprsentes par leur symbolenormalis (

    figure 1.2

    ) ou souvent par un autre symbole (

    figure 1.3

    ).

    Associations de rsistances

    Association en srie

    On peut brancher deux rsistances R

    1

    et R

    2

    en srie (

    figure 1.4

    ).

    P UI RI 2 U

    2

    R--------= = =

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    ONNATRE

    LES

    COMPOSANTS

    LECTRONIQUES

    6

    Le courant est le mme dans les deux lments, mais les tensions leurs bornes sajoutent. Une double application de la loi dOhmmontre que le diple rsultant se comporte comme une rsistancedont la valeur est :

    R

    =

    R

    1

    +

    R

    2

    Cette loi peut se gnraliser plusieurs conducteurs en srie :

    R

    =

    R

    1

    +

    R

    2

    +

    R

    3

    +

    Figure 1.2 Symbole normalis dune rsistance.

    Figure 1.3 Symbole courant dune rsistance.

    Figure 1.4 Association de deux rsistances en srie.

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    1 - R

    SISTANCES

    ET

    POTENTIOMTRES

    7

    Association en parallle

    Le deuxime mode dassociation de rsistances est le branchementen parallle (

    figure 1.5

    ).

    La tension est la mme pour les deux lments, mais les courantsqui les traversent sajoutent. On a ici, grce la loi dOhm :

    Pour plusieurs rsistances, on a de mme :

    Dans le cas de deux rsistances, on peut facilement obtenir

    R

    par laformule :

    Cas des rsistances de mme valeur

    Un cas particulier intressant est celui o les rsistances sontidentiques : deux rsistances en srie donnent une rsistance devaleur double et deux rsistances en parallle quivalent une rsis-tance de valeur moiti.

    Figure 1.5 Association de deux rsistances en parallle.

    1R--- 1

    R1------ 1

    R2------+=

    1R--- 1

    R1------ 1

    R2------ 1

    R3------ + + +=

    RR1R2

    R1 R2+------------------=

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    LES

    COMPOSANTS

    LECTRONIQUES

    8

    1.2 Caractristiques technologiques (rsistances fixes)

    Prcision

    Le nombre indiqu sur le composant est la valeur nominale de larsistance. Du fait des tolrances de fabrication, la rsistance relleest un peu diffrente. Les constructeurs donnent une fourchettedans laquelle peut se trouver cette valeur. Lintervalle est dfini parun pourcentage de la rsistance nominale qui indique lcart maxi-mal, en plus ou en moins, quil peut y avoir entre la valeur relle etla valeur nominale.Par exemple, un composant marqu 10 k

    , 5 % peut avoir unersistance relle comprise entre 9,5 k

    et 10,5 k

    puisque 5 % de10 k

    correspond un cart possible de 0,5 k

    .

    Valeurs normalisesDu fait de la tolrance qui existe sur les valeurs de rsistances, il estinutile de disposer dun trop grand nombre de composants diff-rents. En effet, avec lexemple prcdent, on voit que la valeur nomi-nale 10,5 k ne servirait rien puisquune rsistance relle de cetype pourrait tre identique un lment marqu 10 k.Ainsi, on ne fabrique que des rsistances de certaines valeurs, appar-tenant des sries normalises conues de telle faon quil y ait toutjuste recouvrement des intervalles possibles pour les valeurs rellescorrespondant des valeurs nominales conscutives.Par exemple, dans la srie de prcision 5 %, la valeur qui suit 10 kest 11 k. La rsistance minimale que peut atteindre le composantmarqu 11 k est 10,45 k (lcart par rapport la valeur nominaleest 5 % de 11 k, soit 0,55 k). Le recouvrement nintervientquentre 10,45 k et 10,5 k, ce qui est pratiquement ngligeable. chaque tolrance correspond une srie normalise. Le tableau 1.2donne les diffrentes progressions utilises. Les sries sont dsignespar E6, E12 On indique ainsi le nombre de valeurs dans unedcade (par exemple entre 10 et 100, 100 non compris). Le tableaufournit les valeurs comprises entre 10 et 100, mais il suffit dajouter oude retrancher des zros pour obtenir toutes les rsistances possibles.

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    .CHAPITRE 1 - RSISTANCES ET POTENTIOMTRES 9

    Les composants courants ont une tolrance de 5 % et mme de10 % pour les exprimentations ordinaires. On fait parfois appel des rsistances de prcision, en gnral 1 % ou 2 %.Pour des applications spcifiques (talonnages), on trouve deslments trs prcis : 0,1 % par exemple.Les rsistances sont normalement disponibles entre quelques dixi-mes dohm et quelques dizaines de mgohms, mais les valeurscourantes ne descendent pas en dessous de quelques ohms et nevont pas au-del de quelques mgohms.

    Tableau 1.2 Valeurs normalises.

    Progressions Tolrances Sries normalises

    E3 10 22 47

    E6 20 % 10 15 22 33 47 68

    E12 10 % 10 12 15 18 22 27 33 39 47 56 68 82

    E24 5 % 10 11 12 13 15 16 18 20 22 24 27 30 33 36 39 43 47 51 56 62 68 75 82 91

    E48 2 % 100 105 110 115 121 127 133 140 147 154 162 169 178 187 196 205 215 226 237 249 261 274 287 301 316 332 348 365 383 402 422 442 464 487 511 536 562 590 619 649 681 715 750 787 825 866 909 953

    E96 1 % 100 102 105 107 110 113 115 118 121 124 127 130 133 137 140 143 147 150 154 158 162 165 169 174 178 182 187 191 196 200 205 210 215 221 226 232 237 243 249 255 261 267 274 280 287 294 301 309 316 324 332 340 348 357 365 374 383 392 402 412 422 432 442 453 464 475 487 499 511 523 536 549 562 576 590 604 619 634 649 665 681 698 715 732 750 768 787 806 825 845 866 887 909 931 953 976

  • CONNATRE LES COMPOSANTS LECTRONIQUES10

    MarquageLes rsistances sont en gnral identifies par diffrents anneaux decouleur tracs sur le corps du composant qui indiquent la valeurnominale et la tolrance. Les lments ordinaires (5 % ou 10 %)comportent quatre anneaux (figure 1.6) tandis que les lments deprcision (1 % ou 2 %) en ont cinq (figure 1.7).

    Figure 1.6 Marquage dune rsistance 5 % ou 10 %.

    Figure 1.7 Marquage dune rsistance 1 % ou 2 %.

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    .CHAPITRE 1 - RSISTANCES ET POTENTIOMTRES 11

    Chaque couleur correspond un chiffre, ainsi quil est indiqu dansle tableau 1.3. Il faut faire attention au sens de lecture : le dernieranneau est un peu spar des autres.

    Considrons un premier exemple (figure 1.8). Les deux premiersanneaux indiquent les chiffres significatifs de la valeur nominale dela rsistance : jaune correspond 4 et violet 7. Le troisime anneaudfinit le multiplicateur : orange signifie 1 k. La rsistance nomi-nale est donc 47 k. La prcision est donne par le quatrimeanneau : or correspond 5 %.

    Tableau 1.3 Code des couleurs pour le marquage des rsistances.

    Couleur 1er chiffre 2e chiffre 3e chiffre

    (ventuel) Multiplicateur Tolrance

    Argent 0,01 10 %

    Or 0,1 5 %

    Noir 0 0 1 20 %

    Marron 1 1 1 10 1 %

    Rouge 2 2 2 100 2 %

    Orange 3 3 3 1 k

    Jaune 4 4 4 10 k

    Vert 5 5 5 100 k

    Bleu 6 6 6 1 M

    Violet 7 7 7

    Gris 8 8 8

    Blanc 9 9 9

  • CONNATRE LES COMPOSANTS LECTRONIQUES12

    Prenons un autre exemple (figure 1.9). Il sagit dune rsistance deprcision puisque son marquage comporte cinq bandes. Les troispremires indiquent les chiffres significatifs de la valeur nominale :blanc, orange et marron, soit 931. La quatrime bande donne lemultiplicateur : noir signifie 1 . La rsistance nominale est donc931 . La tolrance est indique par le dernier anneau : marronpour 1 %.

    Figure 1.8 Exemple de marquage : rsistance 47 k, 5 %.

    Figure 1.9 Exemple de marquage : rsistance 931 , 1%.

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    .CHAPITRE 1 - RSISTANCES ET POTENTIOMTRES 13

    Puissance maximaleComme on la dit plus haut, une rsistance dissipe une certainepuissance sous forme thermique : cest leffet Joule. Pour uncomposant donn, il existe une limite technologique de dissipation.Si lon dpasse cette puissance maximale autorise, llment risquede se dgrader : sa rsistance est modifie sans que cela changeforcment laspect du composant. Si la limite est fortementdpasse, la rsistance noircit et peut mme se dtruire. Lesrsistances ordinaires ont une puissance maximale de W. Onutilise galement des rsistances de puissance suprieure lorsquecest ncessaire : W, 1 W, 2 W, 5 W. Les lments de puissancesont nettement plus encombrants sur les circuits imprims etvidemment plus chers. Il importe donc de chiffrer correctement lapuissance ncessaire afin dutiliser ces composants bon escient.On peut employer une des trois formules cites plus haut. Parexemple, on branche une rsistance de 4,7 k sous une tensioncontinue de 12 V. La puissance dissipe par effet Joule est alors :

    Une rsistance W convient parfaitement. Sous la mme tensionde 12 V, on connecte un lment de 470 . La puissance est dansce cas :

    Une dissipation de W est insuffisante. Il faut au moins W.On voit que lon a intrt choisir des rsistances de valeurs leveslorsque cest possible : les puissances dissipes restent alors faibles.

    TechnologiesDe nombreuses technologies existent pour la fabrication des rsis-tances, mais seules quelques-unes apparaissent frquemment.

    1/4

    1/2

    P 122

    4 700------------- 0,03 W= =

    1/4

    P 122

    470--------- 0,3 W= =

    1/4 1/2

  • CONNATRE LES COMPOSANTS LECTRONIQUES14

    Les rsistances couche de carbone sont de loin les plus rpandues.Elles sont destines tous les usages courants. Leurs performancessont correctes et leur prix est faible. On les rencontre dans desgammes de prcision moyenne : 5 % par exemple. La dissipationmaximale peut aller jusqu 2 W (on trouve essentiellement W,

    W, 1 W et 2 W). Ces rsistances sont toujours marques par lecode des couleurs. En labsence dindication contraire, les rsistancesrencontres sur les schmas sont couche de carbone.Les rsistances couche mtallique ont des caractristiques suprieu-res, mais leur prix est un peu plus lev. Elles sont destines auxapplications professionnelles et elles prennent une part croissante dumarch. Leur prcision est bonne : parfois 5 %, mais aussi 2 % ou1 %. Ces rsistances ont une bonne stabilit (cest--dire que leurvaleur ne se modifie pas beaucoup au cours du temps). Certainesfabrications de ce type sont mme haute stabilit. La dissipationmaximale peut aller jusqu 1 W ou 2 W. Le marquage est parfoiseffectu avec le code des couleurs, mais les sries de prcision sontsouvent marques en clair : la valeur et la tolrance sont indiques enchiffres sur le corps du composant (par exemple 1 k 1%).Pour des puissances plus leves, on dispose de rsistances bobines.On rencontre diffrentes prsentations suivant les puissances et lesperformances : rsistances moules, vitrifies Les dissipationssont de quelques watts, quelques dizaines de watts ou plus. Lemarquage est en clair. Les tolrances sont assez moyennes (10 %,5 % ) bien quil existe des sries de bonne prcision, mais desprix levs. Les rsistances bobines dusage courant ne sont pasutilisables aux hautes frquences car elles sont inductives.

    1.3 Rsistances variablesPotentiomtres de rglage

    Ces lments sont utiliss lorsque lon veut pouvoir rgler manuelle-ment un paramtre lectrique de faon rgulire. Ils sont en gnralconstitus dun axe reli un curseur qui se dplace sur une piste de

    1/41/2

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    .CHAPITRE 1 - RSISTANCES ET POTENTIOMTRES 15

    carbone de forme circulaire. On trouve les potentiomtres courantsdans la srie E3 (valeurs 1 ; 2,2 ; 4,7) avec une tolrance de 20 %.Les valeurs schelonnent entre 100 et 4,7 M. La puissance estcouramment de W et peut parfois aller jusque 1 W. Le plussouvent la loi de variation est linaire, cest--dire que la rsistancecomprise entre le curseur et une extrmit du potentiomtre estproportionnelle la rotation de laxe, mais on trouve aussi des loisnon linaires pour des applications particulires : la loi logarithmi-que est notamment employe en audio. Enfin, le potentiomtrepeut tre ventuellement muni dun interrupteur.On utilise aussi parfois des potentiomtres glissire, notammentsur certains appareils audio. La piste de carbone est rectiligne aulieu dtre circulaire. Le curseur se dplace simplement en transla-tion le long dune glissire.Pour des puissances plus leves, on trouve des potentiomtresbobins. Les dissipations sont de quelques watts ou quelques dizai-nes de watts, parfois plus. Les valeurs sont en gnral celles de lasrie E3.Lorsquune grande prcision de rglage est ncessaire, on fait appel des potentiomtres multitours. Laxe commande une vis faiblepas. On y adapte ventuellement un bouton compte-tours quipermet de bien reprer une valeur de rglage. Ces composants sontvidemment dun cot beaucoup plus lev que les rsistancesvariables ordinaires et leur emploi est limit.

    Rsistances ajustablesCes composants sont ajusts la construction de lappareil ou lorsde rglages occasionnels, mais ne font pas lobjet dun usagergulier. Les rsistances ajustables sont formes dun curseur quifrotte sur une piste de carbone, mais ne possdent pas daxe. Il fautse munir dun tournevis pour les actionner. De faible encombre-ment sur les circuits imprims (souvent 1 cm), les ajustables sontdisponibles en deux versions : lune cbler horizontalement (solu-tion la moins fragile), lautre cbler verticalement (solution lamoins encombrante). Les valeurs schelonnent entre 100 et

    1/4

  • CONNATRE LES COMPOSANTS LECTRONIQUES16

    4,7 M, en srie E3. La dissipation maximale est de W pourles petits modles, W pour des composants un peu plus grands.Pour les applications professionnelles, on trouve des composants demeilleures performances (par exemple les ajustables Cermet).Enfin, lorsquune bonne prcision de rglage est ncessaire, on faitappel des ajustables multitours (parfois appels trimmers). Unevis micromtrique permet de dplacer le curseur sur une piste recti-ligne. Cette vis doit tre manuvre par un petit tournevis. Onrencontre souvent des ajustables 10 tours, mais dautres modlessont disponibles. Leur prix est toutefois assez lev.

    1.4 Domaines dutilisationIl est difficile de donner une liste exhaustive des usages possiblespour les rsistances et les potentiomtres. On rencontre en effet cescomposants dans pratiquement tous les montages lectroniques,dans des configurations trs diverses. Les rsistances sont souventassocies dautres lments, aussi de nombreux exemples appara-tront dans les chapitres suivants propos des applications de diverscomposants. On peut toutefois essayer de comprendre le rle desrsistances dans diffrents cas.Une rsistance tablit une relation de proportionnalit entre uncourant et une tension : cest la loi dOhm. Si lon applique unetension constante aux bornes dune rsistance, on fixe le courantqui la traverse (figure 1.10).Par exemple, on a branch une rsistance de 10 k aux bornesdune source de tension continue de 10 V. Le courant qui parcourtla maille est :

    soit 1 mA

    On a effectu la conversion dune tension en un courant. La fonc-tion inverse est elle aussi possible : on peut convertir un courant enune tension. Un exemple dapplication est rencontr dans un

    1/101/4

    I 1010 000----------------

    11 000------------- A= =

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    .CHAPITRE 1 - RSISTANCES ET POTENTIOMTRES 17

    convertisseur numrique/analogique (CNA) : cest un circuit quipermet dobtenir un courant dpendant de ltat logique de diffren-tes entres (figure 1.11).Ainsi, pour un convertisseur 4 bits pour lequel toutes les entressont ltat logique 1, on a :

    I0 est une constante fixe dans le montage. Par exemple, avecI0 = 1 mA, on obtient :

    Figure 1.10 Rsistance soumise une tension constante.

    Figure 1.11 Conversion du courant de sortie dun CNA en tension.

    I 12--- 1

    4--- 1

    8--- 1

    16------+ + +

    I0=

  • CONNATRE LES COMPOSANTS LECTRONIQUES18

    Si la rsistance R vaut 10 k, on a une tension gale :

    U = 10 0,94 = 9 V

    Pour une autre valeur des bits dentre, on a une autre expression ducourant de sortie et donc une autre tension. Par exemple, si le premierbit (celui de plus fort poids) est 1 et les autres 0, on obtient :

    U = 10 0,5 = 5 V

    Les rsistances sont aussi associes aux composants semi-conduc-teurs (diodes, transistors) pour les polariser, cest--dire pourfixer la position de leur point de repos (tension et courant). Lexem-ple le plus simple est celui de la diode (figure 1.12).

    Cet lment, lorsquil est dans ltat passant, maintient une tensionpratiquement constante ses bornes (environ 0,6 V pour une diodeau silicium). Dans le circuit considr, la diode est polarise par ungnrateur de tension 5 V. La tension aux bornes de la rsistance est :

    I 12--- 1

    4--- 1

    8--- 1

    16------+ + +

    1 1516------= 0,94 mA= =

    I 12--- 0

    4--- 0

    8--- 0

    16------+ + +

    1 0,5 mA==

    Figure 1.12 Polarisation dune diode.

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    .CHAPITRE 1 - RSISTANCES ET POTENTIOMTRES 19

    U = 5 0,6 = 4,4 V

    Le courant qui traverse le circuit est alors :

    On remarque que dans les applications numriques, on a priscomme units le volt pour les tensions, le milliampre pour lescourants et le kilo-ohm pour les rsistances. Cela ne change rien laloi dOhm puisque le milliampre vaut un millime dampre tandisque le kilo-ohm correspond mille ohms. Ces units correspondentmieux aux ordres de grandeur rencontrs en lectronique.La rsistance peut aussi tre employe avec des tensions et descourants variables. Dans ce cas, la loi dOhm sapplique chaqueinstant et donc tension et courant ont mme forme. Par exemple,une rsistance de 10 k est soumise une tension triangulairedamplitude 10 V (figure 1.13).

    Le courant est lui aussi triangulaire (figure 1.14) et son amplitudeest 1 mA.On utilise aussi la loi dOhm pour les valeurs efficaces. Par exemple,une rsistance de 100 branche sur le secteur est parcourue parun courant sinusodal dont la valeur efficace est :

    I 4,41

    ------- 4,4 mA= =

    Figure 1.13 Rsistance soumise une tension variable.

    Ieff220100---------- 2,2 A= =

  • CONNATRE LES COMPOSANTS LECTRONIQUES20

    Une configuration particulire trs souvent employe est le diviseurrsistif (figure 1.15).

    Ce montage permet dobtenir une tension infrieure la tensiondalimentation (ou une autre tension dont on dispose dj).Lapplication de la loi dOhm montre immdiatement que lon a :

    Figure 1.14 Tension et courant variables.

    Figure 1.15 Diviseur rsistif.

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    .CHAPITRE 1 - RSISTANCES ET POTENTIOMTRES 21

    Avec les valeurs choisies sur le schma (R1 = 10 k et R2 = 22 k),on obtient :

    Cette formule est trs commode, mais il faut faire attention lutiliser bon escient. Son application suppose que le circuit est vide, cest--dire en fait que le courant dbit est ngligeable. Si ce nest pas lecas, le courant driv dans la charge modifie le rsultat. Pour senconvaincre, il suffit de considrer une charge rsistive (figure 1.16).

    la place de la rsistance R1, on a maintenant lassociation en paral-lle de R1 et de la charge. Si la rsistance de charge est leve devantR1 (par exemple 1 M), la rsistance quivalente lassociation est :

    UR1

    R1 R2+------------------ E=

    U10

    10 22+------------------ 5 1,56 V==

    Figure 1.16 Charge du diviseur rsistif.

    R 10 1 00010 1 000+------------------------- 9,9 k 10 k= =

  • CONNATRE LES COMPOSANTS LECTRONIQUES22

    Le rsultat nest pas modifi par larrive de la charge. Par contre, sila rsistance de charge nest pas beaucoup plus grande que R1 (parexemple 10 k), la rsistance quivalente lassociation en paral-lle est diffrente de R1 :

    La tension obtenue est alors modifie :

    Il en sera ainsi quelle que soit la nature de la charge : la formule dudiviseur rsistif nest valable que si le courant dbit par le montageest ngligeable. On choisit en gnral les valeurs des lments pourquil en soit ainsi. Avec la prcision habituelle des calculs, on peutestimer que la formule est valable si le courant dans R1 et R2 (appelcourant de pont) est suprieur 10 fois le courant dbit.

    R 10 1010 10+------------------ 5 k= =

    U5

    5 22+--------------- 5 0,93 V==

    Figure 1.17 Polarisation dun amplificateur transistor.

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    .CHAPITRE 1 - RSISTANCES ET POTENTIOMTRES 23

    Un exemple typique dapplication est le pont de polarisation debase dun transistor bipolaire (figure 1.17).On fixe la tension de base partir de lalimentation E laide desrsistances R1 et R2. Lorsque lon a dtermin lordre de grandeurdu courant de base IB laide des caractristiques du transistor, onchoisit un courant de pont gal au moins 10IB , ce qui fixe lasomme R1 + R2. La valeur de la tension de base dsire imposant lerapport de R1 et R2, ces deux rsistances sont ainsi calcules.On peut aussi obtenir plusieurs tensions chelonnes en utilisantun diviseur multiple (figure 1.18).

    Figure 1.18 Pont diviseur multiple.

  • CONNATRE LES COMPOSANTS LECTRONIQUES24

    En utilisant cinq rsistances identiques de 10 k sous une alimen-tation E = 5 V, on dveloppe une tension de 1 V aux bornes dechaque lment. On dispose ainsi sur les prises intermdiaires detensions 1 V, 2 V, 3 V, 4 V et 5 V par rapport la masse.Les rsistances variables peuvent tre montes de deux faons. Dansle montage en rhostat, la rsistance variable est en srie avec lacharge et permet de rgler ainsi lintensit (figure 1.19).

    Le montage en potentiomtre est un diviseur rsistif o R1 et R2sont variables, leur somme restant constante (figure 1.20).

    Figure 1.19 Rsistance variable monte en rhostat.

    Figure 1.20 Rsistance variable monte en potentiomtre.

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    .CHAPITRE 1 - RSISTANCES ET POTENTIOMTRES 25

    On ralise alors un rglage de tension entre 0 et E. Pour obtenir unrglage entre dautres limites, on associe au potentiomtre desrsistances talons (ou butes) (figure 1.21).

    Par exemple, on souhaite obtenir un rglage entre 1 V et 4 V avecune alimentation de 5 V. Il faut donc une tension de 3 V aux bornesdu potentiomtre et de 1 V aux bornes de chaque rsistance talon. Silon choisit un potentiomtre de 10 k, il faut des rsistances troisfois plus faibles (puisque le courant est le mme dans les troislments), ce qui donne 3,3 k. Cette valeur tant normalise dansla srie E12, on peut directement lemployer dans le montage.Les rsistances ajustables, comme leur nom lindique, servent ajus-ter un paramtre la valeur dsire, par exemple pour compenser lescarts amens par les imperfections des composants. Elles sont engnral associes une rsistance fixe en srie (figure 1.22).Lors du choix des lments, il faut tenir compte des tolrances quiexistent sur les valeurs des rsistances. Par exemple, sur le schmapropos, on a utilis une rsistance fixe de 100 k 5 % et un ajus-table de 100 k 10 %. La valeur relle de la rsistance peut trecomprise entre 95 k et 105 k et la rsistance totale du

    Figure 1.21 Potentiomtre avec rsistances talons.

  • CONNATRE LES COMPOSANTS LECTRONIQUES26

    potentiomtre peut aller de 90 k 100 k. Pour la limite inf-rieure de la rsistance de lensemble, le cas le plus dfavorable appa-rat lorsque llment fixe est son maximum (le potentiomtre est 0). On a alors 105 k. Pour la valeur maximale, dans le pire descas, la rsistance fixe est son minimum, 95 k, ainsi que la rsis-tance totale du potentiomtre, 90 k, soit pour lensemble185 k. Lintervalle de rglage possible est, dans le cas le plus dfa-vorable, de 105 k 185 k.

    Figure 1.22 Ajustage dune rsistance.

    Figure 1.23 Potentiomtre de compensation du dcalage pour un amplificateur oprationnel 741 (botier DIL 8 broches).

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    .CHAPITRE 1 - RSISTANCES ET POTENTIOMTRES 27

    On trouve aussi des ajustables associs des circuits intgrs poureffectuer certains rglages. Par exemple, lamplificateur opration-nel est souvent muni de bornes permettant la compensation dudcalage (offset). La valeur du potentiomtre utiliser et le mode debranchement dpendent du type de circuit choisi (figure 1.23).Dans ce chapitre, nous avons cit quelques applications des rsis-tances et des potentiomtres, mais nous navons fait queffleurer cevaste sujet. Nous verrons dans les chapitres suivants dautres emploisde ces lments en association avec divers composants et nous auronsloccasion de calculer et de choisir quelques rsistances.

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    HAP ITRE

    2

    ONDENSATEURS

    Moins nombreux que les rsistances, les condensateurs sont cepen-dant trs rpandus sur les circuits imprims. linverse des compo-sants rsistifs qui sont presque tous identiques, les condensateursont des formes et des encombrements trs divers. Cela sexpliquepar les technologies varies qui conviennent aux diffrentes applica-tions de ces lments.

    2.1 Principe et proprits

    Capacit

    Un condensateur est form de deux armatures mtalliques sparespar un isolant, le dilectrique. Quand on applique une tensioncontinue entre les bornes du condensateur (qui sont relies auxarmatures), des charges + et vont saccumuler les unes en face desautres de chaque ct de lisolant. On dit que le condensateur sestcharg. Si ensuite on te la source de tension et que lon connectele condensateur sur une rsistance, les charges vont scouler jusquleur annulation. Le condensateur se dcharge. Il faut bien remar-quer quaucun courant ne traverse le condensateur ( cause delisolant), mais quun certain courant circule dans le reste du circuitpendant une dure assez brve lors des charges et des dcharges. Ondit quil sagit dun rgime de fonctionnement transitoire.Lorsquun condensateur est charg, il conserve llectricit accumu-le jusqu une dcharge : le condensateur a une certaine mmoire.

    C

  • C

    ONNATRE

    LES

    COMPOSANTS

    LECTRONIQUES

    30

    La quantit de charge

    Q

    emmagasine sous une tension

    U

    donnedpend du condensateur employ. Pour un composant choisi, laquantit de charge est proportionnelle la tension applique sesbornes. On crit :

    Q

    =

    CU

    La constante

    C

    est caractristique du condensateur. On lappellecapacit et on lexprime en farads (symbole F). On emploie pluttles sous-multiples de cette unit : le microfarad (un millionime defarad), symbole

    F, le nanofarad (un millime de microfarad),symbole nF et le picofarad (un millime de nanofarad), symbole pF.Le nom de farad vient du physicien anglais M. Faraday.

    nergie emmagasine

    Au point de vue nergtique, le comportement du condensateur estbien diffrent de celui de la rsistance. Alors que cette derniredissipe lnergie lectrique en la transformant en chaleur, le conden-sateur emmagasine lnergie quand il se charge et la restitue lorsquilse dcharge. Il ny a pas de pertes dnergie lectrique (sauf de petitsdfauts dont limportance est secondaire). Le condensateur chargforme donc une rserve dnergie. Ce phnomne est utilis danscertaines applications comme on le verra plus loin.

    Symbole

    Sur les schmas, le condensateur est reprsent par son symbolenormalis (

    figure 2.1

    ).

    Figure 2.1 Symbole normalis dun condensateur.

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    HAPITRE

    2 - C

    ONDENSATEURS

    31

    Certains condensateurs sont polariss du fait de leur technologie :larmature note + doit alors absolument tre relie au ple positif dela tension. On les identifie par leur symbole normalis (

    figure 2.2

    )ou par dautres reprsentations (

    figure 2.3

    ).

    Associations de condensateurs

    On peut grouper les condensateurs en srie ou en parallle. Lasso-ciation se comporte comme un nouveau condensateur. Pour deuxlments en srie (

    figure 2.4

    ), de capacits

    C

    1

    et

    C

    2

    , on obtient uncondensateur quivalent dont la capacit

    C

    est telle que :

    On en dduit :

    Figure 2.2 Symbole normalis dun condensateur polaris.

    Figure 2.3 Divers symboles employs pour reprsenter les condensateurs polariss

    (larmature + est celle de droite sur tous ces schmas).

    1C----- 1

    C1------ 1

    C2------+=

    CC1C2

    C1 C2+-------------------=

  • C

    ONNATRE

    LES

    COMPOSANTS

    LECTRONIQUES

    32

    Deux condensateurs de capacits

    C

    1

    et

    C

    2

    branchs en parallle(

    figure 2.5

    ) donnent un condensateur quivalent de capacit :

    C

    =

    C

    1

    +

    C

    2

    Les formules se gnralisent facilement pour des groupements deplus de deux condensateurs.

    R

    EMARQUE

    Les rsultats sont diffrents de ceux qui ont t obtenus pour lesrsistances : pour des lments en srie, les rsistances sajou-tent tandis que ce sont les inverses des capacits quil faut

    considrer ; pour des lments en parallle, cest le contraire.

    Figure 2.4 Condensateurs en srie.

    Figure 2.5 Condensateurs en parallle.

  • D

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    . La

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    .

    C

    HAPITRE

    2 - C

    ONDENSATEURS

    33

    On peut associer des condensateurs pour obtenir une capacitdonne, mais dautres buts sont parfois recherchs. Par exemple, onne dispose pas facilement de condensateurs non polariss de fortescapacits. On peut simuler ces lments par le groupement de deuxcondensateurs polariss (

    figure 2.6

    ).

    videmment, la capacit de lassociation se calcule par la formulecite plus haut. Deux condensateurs polariss de 10

    F simulent unlment non polaris dont la capacit est :

    Un autre groupement est parfois rencontr en parallle sur uneligne dalimentation (

    figure 2.7

    ).Du fait des ordres de grandeur trs diffrents choisis pour les deuxcapacits, on peut estimer que le petit condensateur non polarisna aucune influence sur la capacit rsultante qui est environ100

    F.En fait, le problme se pose autrement du fait des imperfections descondensateurs. Les lments de forte capacit ont de mauvaisesproprits aux hautes frquences (voir les notions de technologie unpeu plus loin). On se sert donc du gros condensateur polaris pourun fonctionnement aux frquences basses et cest le petit condensa-teur non polaris qui prend le relais aux frquences leves.

    Figure 2.6 Association quivalente un condensateur non polaris de 5 F.

    C 102

    ------ 5 F= =

  • C

    ONNATRE

    LES

    COMPOSANTS

    LECTRONIQUES

    34

    Courbes de charge et de dcharge

    La charge la plus simple est obtenue quand le courant est constant.En effet, dans ce cas la tension

    U

    aux bornes du condensateur crotlinairement avec le temps

    t

    :

    Il faut cependant prendre garde au fait que cette formule ne sappli-que que si le condensateur est totalement dcharg au dpart (latension est nulle

    t

    = 0). On peut tracer la courbe reprsentant latension

    U

    en fonction du temps

    t

    : on obtient une portion dedroite (

    figure 2.8

    ).Le trac a t fait pour un condensateur de capacit 1

    F chargavec un courant constant de 1 mA. On utilise ce dispositif dans lesgnrateurs de rampes et les gnrateurs de signaux triangulaires (ladcharge tant alors aussi courant constant).Dans la plupart des applications, les condensateurs ne sont paschargs courant constant. Un gnrateur de tension continue

    E

    est branch en srie avec une rsistance R et le condensateur C(

    figure 2.9

    ).

    Figure 2.7 Groupement de deux condensateurs agissant dans des domaines de frquence diffrents.

    UIC----- t=

  • D

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    .

    C

    HAPITRE

    2 - C

    ONDENSATEURS

    35

    Si le circuit est ferm

    t

    = 0, le condensateur tant compltementdcharg, lvolution de la tension

    U

    se fait suivant une courbe(

    figure 2.10

    ).La charge commence assez rapidement puis se ralentit de plus enplus. Pour chiffrer la dure de la charge, on dfinit la constante detemps du circuit par :

    =

    RC

    Figure 2.8 Charge dun condensateur courant constant.

    Figure 2.9 Circuit de charge dun condensateur par un gnrateur de tension et une rsistance.

  • C

    ONNATRE

    LES

    COMPOSANTS

    LECTRONIQUES

    36

    Quelques valeurs remarquables sont donnes dans le

    tableau 2.1

    .

    Cette courbe est en fait une exponentielle dont lquation math-matique est :

    Figure 2.10 volution de la tension aux bornes dun condensateur charg par un gnrateur de tension et une rsistance.

    Tableau 2.1 Valeurs remarquables pour la courbe de charge du condensateur.

    t U

    0,63

    E

    3

    0,95

    E

    5

    0,99

    E

    U E 1 et--

    =

  • D

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    .CHAPITRE 2 - CONDENSATEURS 37

    La notation e correspond une fonction mathmatique prsentesur toutes les calculatrices scientifiques et note en gnral EXP surles claviers. Pour calculer la valeur de ce nombre, il suffit deffectuerle quotient de la valeur de t choisie par , de changer le signe etdappuyer sur la touche EXP.La dcharge du condensateur est obtenue en remplaant le gn-rateur E par un court-circuit (figure 2.11).

    Il faut bien noter quil ne suffit pas dter le gnrateur puisqualors,le circuit serait ouvert et le courant de dcharge ne pourrait pascirculer. Lvolution de la tension aux bornes du condensateur estencore reprsente par une courbe (figure 2.12).Il suffit de renverser le trac prcdent pour lobtenir. On a donc lesvaleurs particulires du tableau 2.2.

    Figure 2.11 Circuit de dcharge du condensateur.

    Tableau 2.2 Valeurs remarquables pour la courbe de dcharge du condensateur.

    t U

    0,37E

    3 0,05E

    5 0,01E

  • CONNATRE LES COMPOSANTS LECTRONIQUES38

    On peut remarquer quune charge ou une dcharge est pratique-ment termine au bout de quelques constantes de temps : au boutde 5, on atteint la valeur finale 1 % prs.Les charges et dcharges exponentielles sont utilises dans de nom-breux montages : astables, monostables

    Comportement en alternatifComme le courant alternatif change de sens priodiquement, lescondensateurs se chargent et se dchargent sans arrt. Ce mouve-ment continuel donne limpression quun courant alternatiftraverse le condensateur alors quaucune charge ne passe dunearmature lautre. En rgime sinusodal frquence donne, onconstate deux choses : la tension et le courant sont en quadrature, cest--dire sontdphass de 90, la tension tant en retard sur le courant(figure 2.13) ;

    Figure 2.12 volution de la tension aux bornes du condensateur lors de sa dcharge.

  • D

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    .CHAPITRE 2 - CONDENSATEURS 39

    la valeur efficace de la tension aux bornes du condensateur estproportionnelle lintensit efficace du courant :

    Ueff = ZIeff

    Le coefficient Z est limpdance du condensateur. Si lon augmentela frquence, on constate que limpdance diminue. On a en effet :

    La notion dimpdance pour un condensateur est voisine de la notionde rsistance puisque la relation entre U et I a mme forme que la loidOhm. Toutefois, des diffrences importantes sont noter. Toutdabord, limpdance ne se dfinit quen rgime sinusodal permanentalors que la rsistance est une grandeur indpendante des formes ducourant et de la tension. En deuxime lieu, limpdance dun circuitne dcrit pas compltement son fonctionnement en sinusodal : il fautlui associer la connaissance du dphasage entre courant et tension.Pour terminer, limpdance varie avec la frquence des signaux, alors

    Figure 2.13 Tension et courant en quadrature.

    Z 12fC---------------=

  • CONNATRE LES COMPOSANTS LECTRONIQUES40

    que la rsistance est une constante. Cependant, en tenant compte desdiverses restrictions qui viennent dtre exposes, on peut raisonnersur les impdances un peu comme sur les rsistances. Les variations delimpdance des condensateurs sont exploites pour la ralisation desfiltres de frquence.

    2.2 Caractristiques technologiquesValeurs et prcision

    De la mme faon que pour les rsistances, les capacits des conden-sateurs disponibles appartiennent aux sries normalises indiquesdans le tableau 1.2. Toutefois, le problme est un peu moins simplepour les condensateurs. Du fait des technologies diffrentesemployes, on ne dispose pas dlments de prcision identique danstoute la gamme des valeurs possibles. Pour les capacits les pluscourantes entre 1 nF et 1 F, on trouve souvent des progressionsE12, avec des prcisions de 10 % ou 5 %. Pour les valeurs plus faibles(1 pF 1 nF) et plus leves (1 F 47 mF environ), on se contenteen gnral de sries E6 ou mme E3 car les prcisions sontmdiocres : 20% et mme 20 %, + 50 % pour les fortes valeurs.

    Tension maximaleSi une tension trop importante est applique aux bornes ducondensateur, le dilectrique se perce et le composant est dtruit :cest le claquage du condensateur. Il existe donc une tension limiteprcise par les constructeurs pour chaque modle. Suivant la tech-nologie et la capacit du condensateur, les tensions maximales sontassez variables : quelques volts plusieurs milliers de volts.

    MarquageBeaucoup de condensateurs sont marqus en clair : la capacit et latension limite sont indiques en chiffres sur le corps du composant,avec ou sans indication dunit. Par exemple, un condensateur poly-

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    .CHAPITRE 2 - CONDENSATEURS 41

    carbonate marqu 47n 250 a une capacit de 47 nF et une tensionmaximale de 250 V. Un condensateur tantale marqu 10/25 a unecapacit de 10 F et une tension de 25 V. Certains lments peuventtre marqus par le code des couleurs. Plusieurs dispositions serencontrent pour les diffrentes bandes colores (figure 2.14).

    Le tableau 2.3 prcise la signification des couleurs.

    TechnologiesLa grande varit des matriaux dilectriques employs conduit denombreux types de condensateurs de proprits diverses. Lusage detelle ou telle technologie dpend de la gamme de capacits et desperformances attendues. En particulier, les diffrents types decondensateurs ont un domaine de frquence qui leur est propre.On ne fera ici que citer les principales caractristiques des famillestechnologiques les plus rpandues.

    Condensateurs film plastiqueLes condensateurs les plus utiliss sont film plastique. Denombreuses varits de plastiques peuvent tre employes : polyester,

    Figure 2.14 Marquage des condensateurs au polyester mtallis.

  • CONNATRE LES COMPOSANTS LECTRONIQUES42

    polystyrne, polycarbonate, polypropylne Les condensateurs film plastique ont de bonnes performances. Les pertes sont rduites.La tension maximale est en gnral de plusieurs centaines de volts(parfois quelques dizaines de volts, plus rarement quelques milliers devolts). Les valeurs schelonnent entre 1 nF et quelques microfarads.Les tolrances sont habituellement de 5 % ou 10 %, plus rarementde 20 %. On rencontre aussi des sries de prcision 1 % ou 2 %.Dans un laboratoire courant, on trouve au moins un assortimentcomplet de condensateurs plastique en progression E6 ou E12. Dansles applications, on essaie en gnral de choisir les valeurs de capacitsdans la gamme des condensateurs plastique, lorsque cela est possible.Toutefois, certains domaines exigeront dautres ordres de grandeur decapacits et on fera alors appel des technologies diffrentes.

    Tableau 2.3 Signification du code des couleurs pour le marquage des condensateurs.

    Couleur 1er anneau

    1er chiffre2e anneau2e chiffre

    3e anneauMultiplicateur

    4e anneauPrcision

    5e anneauTension

    maximale

    Noir 0 20 %

    Marron 1 1 10 pF

    Rouge 2 2 100 pF 250 V

    Orange 3 3 1 nF

    Jaune 4 4 10 nF 400 V

    Vert 5 5 100 nF

    Bleu 6 6 1 F

    Violet 7 7 10 F

    Gris 8 8

    Blanc 9 9 10 %

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    .CHAPITRE 2 - CONDENSATEURS 43

    Condensateurs cramiqueLa deuxime grande catgorie est forme par les condensateurscramique. De nombreuses variantes existent, mais on peut cepen-dant donner des caractristiques communes tous ces condensateurs.Tout dabord, les condensateurs cramique sont surtout destins une utilisation en hautes frquences. Les pertes peuvent tre impor-tantes en particulier aux frquences basses. Les valeurs schelonnententre 1 pF et 100 nF environ. La prcision est en gnral mdiocre :20 % est une valeur courante. Il existe cependant des sries plusprcises. Les condensateurs cramique seront surtout utiliss dans desapplications o la valeur exacte de la capacit na pas dimportance.

    Condensateurs lectrolytiquesPour les fortes valeurs de capacit, on fait appel aux condensateurslectrolytiques laluminium, plus simplement appels condensa-teurs chimiques. On trouve ces composants pour des capacitscomprises entre 1 F et quelques millifarads, voire parfois quelquesdizaines de millifarads. Les condensateurs chimiques ne peuvent treutiliss quaux basses frquences. Ils sont polariss : un mauvais sensde branchement peut amener lexplosion du composant. Les tensionsde service sont assez faibles : quelques dizaines de volts. On trouvetoutefois des tensions plus leves pour des applications particulires.Les tolrances sont mdiocres : souvent 20 %, + 50 %. Cescondensateurs sont encombrants (particulirement pour les valeursleves de capacit) et leur prix crot rapidement pour les fortes capa-cits et les tensions de service importantes. On nutilisera donc ceslments que si cela est absolument ncessaire et pour des applica-tions o la valeur exacte de la capacit nest pas importante.

    Condensateurs au tantaleOn trouve galement des capacits leves (0,1 F quelquescentaines de microfarads) pour les condensateurs au tantale. Cesderniers sont moins encombrants et plus fiables que les chimiques laluminium. Ils sont polariss et leurs tensions de service sont faibles(quelques volts ou quelques dizaines de volts). Leur cot est pluslev que pour les condensateurs laluminium.

  • CONNATRE LES COMPOSANTS LECTRONIQUES44

    On vient de constater quil faut prter un minimum dattention la technologie des condensateurs pour les utiliser correctement.Pour rsumer, la figure 2.15 rappelle les ordres de grandeur descapacits que lon trouve couramment pour chaque type et lafigure 2.16 indique les domaines de frquence utilisables. Il sagit lde caractristiques approches pour des fabrications courantes etlon peut videmment rencontrer des modles particuliers quisortent des limites donnes.

    Condensateurs variablesOn ne dispose pas en gnral de condensateurs variables, sauf dansquelques cas particuliers. On a dabord les condensateurs lamedair qui sont forms dune armature fixe et dune armature mobilemonte sur un axe. En faisant tourner larmature, on fait varier lasurface des plaques en regard, ce qui se traduit par une modificationde la capacit. Il ny a pas de dilectrique, ce rle est jou par lairprsent entre les armatures. Les capacits sont donc trs faibles. Cegenre de matriel nest utilis que pour laccord des circuitsoscillants des rcepteurs radio. On trouve aussi des ajustables lacramique ou au plastique. Ces petits condensateurs ont de faiblescapacits (quelques picofarads ou quelques dizaines de picofarads).Le rglage se fait laide dune vis.

    2.3 Domaines dutilisationLes condensateurs ont de multiples usages. Selon les cas, on exploitele fait quils accumulent une certaine nergie, dans dautres cas, cestla variation de leur impdance avec la frquence qui est utile. Lexem-ple le plus frappant de laccumulation dnergie est le flash dun appa-reil photo. Les piles chargent un condensateur pendant un certaintemps, puis le condensateur se dcharge brusquement dans le tube duflash. La quantit dnergie fournie pendant cette brve dure permetlobtention de lclair. Dans les alimentations continues partir du secteur, on utilise ungros condensateur pour le filtrage (figure 2.17).

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    .CHAPITRE 2 - CONDENSATEURS 45

    Figure 2.15 Ordre de grandeur des capacits disponibles pour les diffrents types de condensateurs.

    Figure 2.16 Domaines de frquence utilisables pour les diffrents types de condensateurs.

  • CONNATRE LES COMPOSANTS LECTRONIQUES46

    Le pont de diodes redresse le signal alternatif obtenu au secondairedu transformateur. En labsence de condensateur, on observe latension loigne du continu (figure 2.18).

    Si lon branche le condensateur, mais que lalimentation ne dbiteaucun courant, le condensateur se charge lors de la premiremonte puis garde sa charge (figure 2.19).Lorsque lalimentation dbite, le condensateur se dcharge lgre-ment puis se recharge priodiquement (figure 2.20).Si la capacit est assez leve, la tension est sensiblement continue.On utilise habituellement de gros condensateurs chimiques (centai-

    Figure 2.17 Alimentation continue avec condensateur de filtrage.

    Figure 2.18 Allure de la tension redresse (sans filtrage).

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    .CHAPITRE 2 - CONDENSATEURS 47

    nes ou milliers de microfarads). Il ny a ici pas de problme puisquela frquence est basse (100 Hz) car il y a deux motifs identiquesdans une priode du secteur 50 Hz, et que la valeur exacte de lacapacit nest pas dterminante ; il faut simplement un minimum,que lon assurera avec une certaine marge de scurit.Dans le mme ordre dides, on trouve les condensateurs de dcou-plage connects sur les lignes dalimentation dun montage(figure 2.21).La tension dalimentation est normalement continue et le condensa-teur se charge lors de la mise sous tension du montage et conservecette charge. En ralit, la tension continue dalimentation nest pasrigoureusement constante cause des parasites et des chutes de

    Figure 2.19 Tension redresse et filtre pour une alimentation vide.

    Figure 2.20 Tension de sortie de lalimentation en prsence dun courant dbit.

  • CONNATRE LES COMPOSANTS LECTRONIQUES48

    tension cres par les courants consomms par les circuits. En bran-chant un condensateur entre la ligne dalimentation et la masse, onlimine ces variations de tension qui pourraient perturber le fonction-nement du montage. En effet, le condensateur, grce son nergieaccumule, apporte une certaine inertie la tension. En cas de brvevariation de lalimentation, le condensateur na pas le temps de modi-fier sa charge et maintient la tension constante. Pour remplir correcte-ment son rle, le condensateur doit tre connect au plus prs ducircuit afin quil ne puisse pas y avoir de chute de tension entre ledcouplage et le montage lui-mme.

    Suivant la nature des signaux liminer, on utilisera la technologieapproprie pour le condensateur. Les variations tant souvent rapi-des (parasites de commutation par exemple), on fait souvent appel des condensateurs cramique. Si des variations lentes sont crain-dre (rsidu dondulation secteur par exemple), il faut disposer dunecapacit plus leve et on emploie alors des lments chimiques. Silon veut liminer des variations lentes ou rapides, on utilise uneassociation forme par un condensateur cramique et un chimiquecomme on la dj indiqu. Dans les montages circuits intgrs, ilfaut raliser suivant les cas un dcouplage par circuit ou par groupede circuits. La valeur des capacits employer est indique dans lesspcifications des composants.

    Figure 2.21 Condensateur de dcouplage sur une ligne dalimentation.

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    .CHAPITRE 2 - CONDENSATEURS 49

    La variation de limpdance dun condensateur avec la frquenceest exploite dans les filtres. Ces circuits permettent dliminercertaines composantes dun signal et den conserver dautres (cellesqui appartiennent la bande passante du filtre). Le condensateurlaisse facilement passer les composantes de hautes frquences (sonimpdance est alors faible) mais soppose au passage des composan-tes de basses frquences (son impdance est alors leve). Ainsi,suivant le branchement du ou des condensateurs, on peut favoriserles frquences basses, moyennes ou hautes et raliser un filtre passe-bas, passe-bande ou passe-haut. Par exemple, on spare les aigus(frquences leves) et les graves (frquences basses) la sortie dunamplificateur audio (figure 2.22). Les bobines viennent renforcerleffet des condensateurs.

    Un autre emploi trs frquent pour le condensateur est le circuit deliaison. Il faut trs souvent sparer les composantes continues quiconstituent la polarisation et les composantes alternatives quiforment le signal utile. Au chapitre prcdent, on a donn le schmadun amplificateur transistor. On a vu que la tension de polarisationde base tait fixe par les rsistances R1 et R2. Pour que le gnrateur

    Figure 2.22 Sparation des graves et des aigus par un filtre passe-haut et un filtre passe-bas.

  • CONNATRE LES COMPOSANTS LECTRONIQUES50

    qui fournit le signal amplifier ne modifie pas le point de polarisa-tion, on a plac un condensateur de liaison C1 lentre. Comme lecourant continu ne peut pas traverser un condensateur, il ny a effec-tivement aucune influence. C2 joue le mme rle la sortie. Toute-fois, pour que la liaison soit correcte, il faut que le condensateur laissepasser le signal utile. Pour que lon puisse considrer que le rsultat estcorrect, il suffit que limpdance du condensateur soit faible devant larsistance dentre de lamplificateur, cest--dire la rsistance qui estvue par le signal variable entre les bornes dentre aprs le condensa-teur. En effet, le circuit se ramne un diviseur dimpdances(figure 2.23).

    La chute de tension dans C1 est ngligeable si :

    On en dduit une valeur minimale pour C1. On choisit souvent uncoefficient de 10 en prenant :

    et donc :

    Figure 2.23 Condensateur de liaison lentre dun circuit.

    12f C1----------------

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    .CHAPITRE 2 - CONDENSATEURS 51

    Si le signal comporte des composantes de diverses frquences, ilfaut vrifier la relation pour toutes les frquences. Pour cela, il suffitde la vrifier pour la frquence la plus faible.Par exemple un amplificateur fonctionne en audiofrquences (20 Hz 20 kHz environ). Sa rsistance dentre est 10 k (on la calculedans ltude de lamplificateur). La capacit de liaison dentre doitbien jouer son rle, mme 20 Hz ; sa valeur minimale est :

    On choisit ensuite une valeur normalise suprieure. Sagissantdune capacit leve, on ne dispose en gnral que dune progres-sion E6 ou E3. On prend donc C = 10 F.On utilise aussi des condensateurs pour crer des impulsions partirdune tension carre : cest le montage drivateur (figure 2.24).

    Lors dun front montant appliqu lentre, le condensateur trans-met la discontinuit la sortie car il ne peut pas se charger instanta-nment. Ensuite, la rsistance tant soumise une diffrence depotentiel, il circule un courant qui charge le condensateur. Si laconstante de temps RC est faible, la phase de charge est brve et onpeut considrer que le signal apparu en sortie est une impulsion. Lefonctionnement est similaire aux fronts descendants (figure 2.25).

    C1min10

    2 20 10 000----------------------------------------- 7,96 F= =

    Figure 2.24 Montage drivateur permettant de gnrer des impulsions partir dun signal carr.

  • CONNATRE LES COMPOSANTS LECTRONIQUES52

    Les condensateurs permettent aussi de faire voluer des tensions oudes courants pendant une dure dtermine et de raliser ainsi desgnrateurs de signaux ou des temporisateurs. On emploie pourcela un circuit de commutation (en gnral intgr), un condensa-teur et une ou plusieurs rsistances. Un montage trs classique est legnrateur de signaux carrs (ou circuit astable) ralis avec untemporisateur intgr 555 (figure 2.26).Le condensateur se charge et se dcharge priodiquement. Les char-ges se font travers RA et RB tandis que les dcharges se font travers RB et le circuit intgr. Ce dernier effectue des commuta-tions lorsque la tension aux bornes du condensateur atteint VCC /3ou 2VCC /3 (figure 2.27).La frquence des signaux correspond la formule :

    La valeur obtenue est fixe par les rsistances RA et RB et la capacitC, en fait par lintermdiaire des constantes de temps de la charge(RA + RB )C et de la dcharge RB C. On voit ici limportance de la

    Figure 2.25 Impulsions en sortie du drivateur.

    f 1,44RA 2RB+( )C

    -------------------------------=

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    .CHAPITRE 2 - CONDENSATEURS 53

    Figure 2.26 Gnrateur de signaux carrs circuit intgr 555 (les numros correspondent au botier DIL 8 broches).

    Figure 2.27 volution des tensions dans le gnrateur de signaux carrs.

  • CONNATRE LES COMPOSANTS LECTRONIQUES54

    tolrance sur les composants. Un condensateur de bonne prcisionest ncessaire. On emploie donc un composant au plastique, ouparfois un cramique de bonne qualit. Cette remarque est valablepour tous les montages dont une caractristique de sortie (dure,frquence) dpend de la valeur exacte dune capacit. Avec leslments du schma, on obtient une frquence de 2,19 kHz.Il existe plusieurs petits logiciels permettant de calculer la frquenceet le rapport cyclique du signal carr obtenu en sortie dun astable 555 partir des donnes des rsistances et de la capacit. Dautreslogiciels, plus intressants pour le concepteur, calculent les valeurs donner aux composants pour obtenir une frquence et un rapportcyclique fixs. On trouvera facilement ces programmes gratuits surInternet partir de nimporte quel moteur de recherche.

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    C

    HAP ITRE

    3

    OBINES

    ET

    TRANSFORMATEURS

    Les composants inductifs sont souvent mal connus et peu apprcispar les lectroniciens. En effet, en basse frquence, les bobinagessont lourds et encombrants et on ne les utilise que lorsque cest vrai-ment ncessaire. Par contre, en haute frquence, les bobines sont depetite taille et leur emploi est plus intressant.

    3.1 Principe et proprits

    Inductance

    Une bobine est forme dun fil enroul soit dans lair, soit sur unnoyau magntique (

    figure 3.1

    ).

    Figure 3.1 Bobine enroule sur un noyau ferromagntique.

    B

  • C

    ONNATRE

    LES

    COMPOSANTS

    LECTRONIQUES

    56

    Un conducteur parcouru par un courant cre un champ magntique(comme un aimant). La prsence dun noyau ayant des propritsferromagntiques augmente considrablement le champ magnti-que obtenu. Si une bobine de

    N

    spires de section

    S

    est soumise unchamp magntique

    B

    , on appelle flux la quantit :

    =

    NBS

    Le flux

    sexprime en webers (symbole Wb). Si le champ magnti-que a t cr par lenroulement lui-mme, on parle de flux propre.Tant que le courant

    I

    nest pas trop lev, le flux

    est proportionnelau courant qui la engendr :

    =

    LI

    Le coefficient

    L

    est linductance (ou auto-inductance) de la bobine.La traduction anglaise est

    self-inductance

    , ce qui explique que lonparle souvent dans le langage courant de

    self

    pour dsigner unebobine. Lunit dinductance est le henry (symbole H), du nom duphysicien amricain J. Henry connu pour ses tudes sur le phno-mne dauto-induction. On utilise les sous-multiples : le millihenry(mH) et le microhenry (

    H).

    nergie emmagasine

    Une bobine emmagasine de lnergie sous forme lectromagntiquelorsquelle est parcourue par un courant. On utilise dans certains casles changes dnergie entre bobines et condensateurs (circuitoscillant

    LC

    ). Une bobine idale naurait aucune perte dnergie,mais en ralit, le conducteur employ pour lenroulement a aussiune certaine rsistance qui entrane des pertes par effet Joule. Leffetde cette rsistance est ngligeable devant celui de linductance danscertaines applications, mais il modifie un peu les choses dans denombreux cas. Le fait que lnergie stocke corresponde une circu-lation de courant donne la bobine un effet dinertie pour le courant.En particulier, ce courant ne peut pas tre discontinu et la prsencedune bobine en srie dans une connexion ralentit les variations delintensit. On constate un certain parallle entre condensateur et

  • D

    unod

    . La

    phot

    ocop

    ie n

    on a

    utor

    ise

    est

    un

    dlit

    .

    C

    HAPITRE

    3 - B

    OBINES

    ET

    TRANSFORMATEURS

    57

    bobine : le premier a un effet dinertie sur la tension tandis que ladeuxime a un effet dinertie sur le courant.

    Non-linarit

    Si la prsence dun noyau ferromagntique a lavantage de donnerune inductance beaucoup plus leve, elle a aussi linconvnientdamener une non-linarit dans le fonctionnement de la bobine.Quand le courant est faible, le flux est proportionnel lintensit,mais, partir dun certain seuil, le flux ne crot plus aussi vite puis sestabilise pratiquement : cest le phnomne de saturation. Si unlment est satur, on ne peut plus employer la notion dinductance.Une caractristique importante dun bobinage est donc le courantmaximal possible sans atteindre la saturation. En dehors des pertespar effet Joule dj cites, les bobines noyau ont galement despertes ferromagntiques. Il sagit dune puissance perdue cause dedeux phnomnes : lhystrsis, qui est un comportement diffrentselon que le courant est croissant ou dcroissant, et les courants deFoucault, qui sont des courants induits dans les masses mtalliques.Pour les applications, il est important de savoir que ces pertesferromagntiques augmentent avec la frquence et dpendent de lanature du matriau qui forme le noyau.

    Symboles

    Une bobine peut tre reprsente par son symbole normalis(

    figure 3.2

    ), mais on rencontre aussi dautres symboles (

    figure 3.3

    ).

    Associations

    On peut associer les bobines en srie ou en parallle, mais ces groupe-ments sont trs peu utiliss. Les lois dassociation pour les inductan-ces sont les mmes que celles qui ont t cites pour les rsistances.

    Transformateur

    Un transformateur est constitu de deux enroulements placs sur lemme noyau magntique ferm (

    figure 3.4

    ).

  • C

    ONNATRE

    LES

    COMPOSANTS

    LECTRONIQUES

    58

    Figure 3.2 Symboles normaliss pour une bobine (la reprsentation (b) est employe sil y a un noyau ferromagntique).

    Figure 3.3 Divers symboles rencontrs pour la reprsentation des bobines.

    Figure 3.4 Principe dun transformateur. Les points distinguent les extrmits des enroulements qui ont mme polarit instantane sur les

    symboles de la figure 3.5 (cela dpend du sens de bobinage).

  • D

    unod

    . La

    phot

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    ie n

    on a

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    .

    C

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    3 - B

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    ET

    TRANSFORMATEURS

    59

    Il sagit ici dun schma de principe, les ralisations sont un peudiffrentes. Quand on applique une tension variable sur lun desenroulements (appel primaire), un flux est cr. Du fait du noyauferromagntique, les lignes de flux sont obliges de se refermer (dansleur presque totalit) en passant dans le deuxime enroulement(appel secondaire). Ce flux variable cre une force lectromotriceinduite dans ce bobinage, cest--dire quil apparat une tensionentre ses bornes. Le rapport de la tension obtenue au secondaire etde la tension applique au primaire est constant, gal au rapport desnombres de spires des enroulements :

    Le nombre

    k

    est le rapport de transformation de lappareil.Lorsque lon ferme le circuit du secondaire sur une charge, il appa-rat un courant induit. Ce dernier cre galement un flux qui sesuperpose celui du primaire pour donner le flux rsultant. Latension prsente entre les bornes du secondaire chute un peu parrapport celle que lon avait vide, mais en reste voisine. Lecourant

    I

    1

    appel par le primaire du transformateur dpend ducourant

    I

    2

    dans la charge. On a, de manire approche :

    Cette relation est bien vrifie pour les gros transformateurs, maiselle est plus approximative pour les petites units. Son applicationsuffit toutefois pour des calculs approchs comme la dterminationdu calibre du fusible brancher sur le primaire.Il est important de noter quun transformateur ne fonctionnequavec des signaux variables. Il na pas dquivalent en continu. Lestransformateurs peuvent tre abaisseurs (

    k

    < 1) ou lvateurs (

    k

    > 1).Un cas particulier est le transformateur disolement (

    k

    = 1). Il nemodifie pas la tension, mais permet davoir un isolement lectriqueentre les circuits branchs au primaire et au secondaire. Les pertesdun transformateur sont les mmes que celles dune bobine : effetJoule dans les enroulements, hystrsis et courants de Foucault.

    U 2U 1--------

    N 2N 1-------- k= =

    I1 kI2=

  • C

    ONNATRE

    LES

    COMPOSANTS

    LECTRONIQUES

    60

    Les transformateurs peuvent tre reprsents par leur symbolenormalis (

    figure 3.5

    ) ou par dautres symboles (

    figure 3.6

    ).

    tablissement du courant dans une bobine

    Si lon applique une tension constante une bobine, le courantaugmente linairement :

    Figure 3.5 Symboles normaliss pour un transformateur (la variante (b) indique la prsence

    dun noyau ferromagntique).

    Figure 3.6 Divers symboles rencontrs pour la reprsentation des transformateurs.

    IUL---- t=

  • D

    unod

    . La

    phot

    ocop

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    on a

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    ise

    est

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    .

    C

    HAPITRE

    3 - B

    OBINES

    ET

    TRANSFORMATEURS

    61

    Cette loi de variation nest toutefois valable que tant que la bobinenest pas sature. Les variations du courant

    I

    en fonction du temps

    t

    sont reprsentes par un segment de droite (

    figure 3.7

    ).

    On a choisi pour le trac une inductance de 10 mH soumise unetension de 10 V.Si le courant stablit travers une rsistance R (

    figure 3.8

    ), la courbedevient une exponentielle (

    figure 3.9

    ) identique celle qui reprsentela tension lors de la charge dun condensateur (voir chapitre 2). La constante de temps est dans ce cas :

    Au bout de quelques constantes de temps, le courant est stabilis sa valeur de repos :

    Figure 3.7 tablissement du courant dans une bobine soumise une tension constante.

    LR----=

    I0ER----=

  • C

    ONNATRE

    LES

    COMPOSANTS

    LECTRONIQUES

    62

    Les phnomnes sont similaires lors de lextinction du courant(

    figures 3.10 et 3.11

    ). Il ne faut pas ouvrir le circuit contenant la bobine : le courant nepouvant sannuler brusquement cause de lnergie emmagasinedans la bobine, il se produirait un arc lectrique entre les contactsouverts.

    Figure 3.8 tablissement du courant dans une bobine travers une rsistance.

    Figure 3.9 volution du courant dans la bobine.

  • D

    unod

    . La

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    .

    C

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    3 - B

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    ET

    TRANSFORMATEURS

    63

    Bobine en alternatif

    Pour une bobine idale (rsistance ngligeable), la tension et lecourant sont en quadrature, mais, contrairement ce qui se passepour un condensateur, cest le courant qui est en retard sur la tension(

    figure 3.12

    ).

    Figure 3.10 Circuit pour lextinction du courant dans la bobine.

    Figure 3.11 volution du courant lors de son extinction.

  • C

    ONNATRE LES COMPOSANTS LECTRONIQUES64

    Limpdance augmente avec la frquence f et sexprime par laformule :

    Cette variation de limpdance, oppose celle qui est observepour un condensateur, est galement utilise dans certains filtres.

    3.2 Caractristiques technologiquesBobines noyau de fer

    On trouve principalement dans cette catgorie les transformateursdalimentation fonctionnant sur le secteur 50 Hz. Le noyau magn-tique est indispensable. Il est ralis en tles de fer additionn desilicium. Le noyau est feuillet pour limiter les courants de Foucaultet diminuer ainsi les pertes correspondantes. On emploie en gnralune dcoupe des tles en EI (figure 3.13).

    Figure 3.12 Tension et courant en quadrature.

    Z 2f L=

  • D

    unod

    . La

    phot

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    on a

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    .CHAPITRE 3 - BOBINES ET TRANSFORMATEURS 65

    Les diverses dimensions sont multiples dune longueur lmentaire acomme le montre la figure 3.13. Les bobinages sont placs sur lapartie centrale du noyau. Le primaire et le secondaire sont superpo-ss, contrairement ce qui a t reprsent sur le schma de principe.Cette disposition permet de limiter les fuites de flux entre les enrou-lements. Le transformateur est souvent maintenu par un trier etpeut tre mont sur un circuit imprim. Les bornes des bobinagessont sorties sur des cosses. De nombreux transformateurs ont unsecondaire point milieu ou mme prises multiples. Cela permet dedisposer de plusieurs valeurs de tensions. Dans les alimentations, onutilise suivant les cas le secondaire complet ou les deux demi-secon-daires (voir plus loin les applications). Les principales caractristiquesdun transformateur dalimentation sont ses tensions nominales (auprimaire et au secondaire) et sa puissance apparente. La puissanceapparente du transformateur permet de dfinir le courant maximalque lon peut demander au secondaire ; elle sexprime par le produitde la tension du secondaire par le courant dbit (valeurs efficaces) :

    Figure 3.13 Dcoupage des tles en EI.

    S U2 I2=

  • CONNATRE LES COMPOSANTS LECTRONIQUES66

    Lunit de puissance apparente est le voltampre (symbole VA).On peut bobiner soi-mme les transformateurs, mais pour les mod-les courants, il est plus facile de les acheter dj raliss. Les modlesque lon rencontre habituellement sont prvus pour une tensionprimaire de 220 V et possdent un ou deux secondaires dont lestensions nominales sont souvent : 6 V, 9 V, 12 V, 15 V, 18 V et24 V. Les puissances apparentes disponibles habituellement vont de3 100 VA. Le transformateur est dautant plus lourd (et encom-brant et cher) que sa puissance apparente est leve.On trouve aussi parfois des transformateurs toriques (figure 3.14)qui ont de bonnes performances et en particulier ne rayonnent pas.Leur prix est cependant plus lev.

    Les noyaux de fer ne peuvent tre utiliss que pour des frquenceslimites quelques centaines de hertz. Au-del, les pertes ferroma-gntiques deviennent trop importantes.

    Bobines noyau de ferriteAux frquences moyennes ou hautes, on utilise des bobines et destransformateurs noyau de ferrite. Dans cette catgorie de matriaux,on trouve de nombreux types diffrents destins des domaines

    Figure 3.14 Transformateur torique.

  • D

    unod

    . La

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    .CHAPITRE 3 - BOBINES ET TRANSFORMATEURS 67

    divers. La plage des frquences utilisables est une caractristique essen-tielle des ferrites : elle peut tre situe entre 1 kHz et 100 kHz pourcertaines rfrences, mais stend de 100 MHz 1 GHz pour dautres.Le deuxime paramtre important est linductance spcifique AL.Linductance L dun bobinage est proportionnelle au carr du nombrede spires N. AL est le coefficient de proportionnalit :

    De nombreuses prsentations diffrentes existent pour les bobinagessur ferrites. Pour les faibles courants (fil fin), on a souvent recours un pot form de deux coupelles maintenues par un trier.Lenroulement est bobin sur un petit support plastique plac lintrieur des coupelles. Pour des courants plus levs, on choisit desnoyaux du genre EI ou des tores.On rencontre aussi des bobines miniatures de forme et de dimen-sions comparables celles dune rsistance. On dispose dinductan-ces pouvant aller de 0,1 H 10 mH. Certains modles sontmarqus en clair, dautres suivant un code des couleurs (figure 3.15).

    L ALN2=

    Figure 3.15 Marquage dune bobine miniature par le code des couleurs.

  • CONNATRE LES COMPOSANTS LECTRONIQUES68

    Le tableau 3.1 donne la signification des couleurs.

    Un cas particulier apparat lorsque linductance est infrieure 10 H : il ny a pas de bande de multiplicateur, mais la virguledcimale est indique par un anneau de couleur or (figure 3.16).Des transformateurs particuliers sont galement disponibles pour lescircuits damorage des thyristors : ce sont les transformateursdimpulsions (voir plus loin les applications). Ces lments se

    Tableau 3.1 Signification du code des couleurs pour le marquage des bobines miniatures.

    Couleur 1er anneau

    1er chiffre2e anneau2e chiffre

    3e anneaumultiplicateur

    4e anneautolrance

    Noir 0 1 H

    Marron 1 1 10 H

    Rouge 2 2 100 H

    Orange 3 3 1 mH

    Jaune 4 4

    Vert 5 5

    Bleu 6 6

    Violet 7 7

    Gris 8 8

    Blanc 9 9

    Rien 20 %

    Argent 10 %

    Or 5 %

  • D

    unod

    . La

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    .CHAPITRE 3 - BOBINES ET TRANSFORMATEURS 69

    prsentent en gnral dans des botiers plastiques de petites dimen-sions dont les picots se connectent directement sur les circuits impri-ms. Le rapport de transformation est souvent de 1 et de nombreuxmodles possdent plusieurs enroulements secondaires indpen-dants permettant un isolement sur plusieurs voies.

    Bobines airEn hautes frquences, on emploie des bobines air. Linductanceobtenue est faible, mais son effet est suffisant pour des signaux dansles dizaines ou centaines de mgahertz. Labsence de noyau ferro-magntique vite les problmes de saturation. Ce type de bobine aaussi lavantage dtre lger et peu encombrant. Il arrive que lonutilise aussi des bobines air pour des frquences peu leves afindviter les problmes de non-linarits lis aux matriaux magnti-ques, mais il faut un nombre important de spires pour obtenir lesinductances ncessaires.

    3.3 Domaines dutilisationAux basses frquences, on trouve peu de bobinages, leur encombre-ment et leur poids les rendant dusage difficile. Le seul domaine o

    Figure 3.16 Cas particulier des inductances infrieures 10 H.

  • CONNATRE LES COMPOSANTS LECTRONIQUES70

    lon ne peut gure sen passer est lalimentation secteur classique.En effet, un isolement entre le secteur et le montage lectroniqueest pratiquement toujours ncessaire, ne serait-ce que pourdvidentes raisons de scurit. Outre ce rle, le transformateurdalimentation sert galement abaisser la tension en vue dobtenirdes niveaux continus convenant aux circuits alimenter : on nedpasse pas en gnral quelques dizaines de volts, les valeurs 5 ou15 V tant trs frquentes. On utilise principalement deux configu-rations pour les alimentations : le montage pont de Graetz donton a parl au chapitre 2 et le montage va-et-vient (figure 3.17).Ce dernier ne ncessite que deux diodes pour le redressement, maisexige un transformateur point milieu. Les performances des deuxmontages sont voisines, mais on prfre souvent le pont de Graetzdans les ralisations.

    On rencontre quelques bobinages dans les filtres passifs commeceux qui ont t dcrits au chapitre prcdent. Les bobines renfor-cent leffet de filtrage dj obtenu par les condensateurs : quand lafrquence augmente, limpdance des bobines crot tandis que celledes condensateurs diminue. Aux basses frquences, on prfre lesfiltres actifs qui associent des rsistances, des conde