Electronique Fondamentale

Embed Size (px)

Citation preview

  • Electronique Fondamentale Chapitre I

    Dr. BENSAID DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE Universit de BOUIRA 1

    MINISTERE DE LENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

    UNIVERSITE DE BOUIRA FACULTE DES SCIENCES ET DES SCIENCES APPLIQUEES DEPARTEMENT DE GENIE ELECTRIQUE

    Cours Electronique Fondamentale

    Enseignant responsable : Dr. BENSAID

    Remarque : Ce cours a t dispens de 2009 2012 luniversit de Msila pour les tudiants de deuxime anne licence, Filire: Gnie Electrique.

    Sommaire du cours Chapitre I Notions de bases sur les circuits lectriques. Chapitre II Introduction la thorie des semi-conducteurs Chapitre III Diodes et circuits diodes Chapitre IV Transistors bipolaires et circuits transistors Chapitre V Amplificateur base de transistor Chapitre VI Transistors effet champ Chapitre VII Amplificateurs oprationnels

    Bibliographies 1. Thomas L. Floyd "Fondements d'lectronique : Circuits, composants et applications 2. Albert Paul MALVINO "Principes dlectronique, cours et exercices corrigs BTS, IUT, premier et

    deuxime cycle, coles d'ingnieurs ingnieurs", dition DUNOD 3. Yves Granjon, "Travaux dirigs d'lectronique BTS, IUT 1er cycle Licence, Rappels de cours, questions de

    rflexion", dition DUNOD. 4. Francis Milsan "Problmes dlectronique", dition Eyrolles 5. Francis Milsan "Cours dlectronique", dition Eyrolles 6. Milton Kaufman; J. A Wilson, Auteur; Traduit par Romain Jacoud, Auteur, "Electronique: rappels thoriques

    et applications Tome1: les composants, cours et problmes", Srie Schaum, dition MacGraw-Hill 7. Edwin Carl Lowenberg, " Circuits lectroniques: Cours et problmes", Srie Schaum, dition MacGraw-Hill

  • Electronique Fondamentale Chapitre I

    Dr. BENSAID DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE Universit de BOUIRA 2

    I. NOTIONS DE BASES SUR LES CIRCUITS ELECTRIQUES :

    I.1. Lois de llectrocintique I.1.1. Courant lectrique et tension a. Notion de courant Un conducteur est un matriau contenant des charges libres capables de se dplacer. Dans les lectrolytes les charges mobiles sont des ions. Dans les autres conducteurs, les charges sont des lectrons. Un courant lectrique existe quand une charge q est transfre d'un point un autre du conducteur. L'intensit du courant, l'instant t, est reprsente par le dbit des charges.

    ( )( ) (sec )dQ CoulombI Ampredt onde

    =

    Pour des raisons historiques, le sens conventionnel d'un courant positif est celui du dplacement de charges positives. Il est donc oppos la direction de dplacements des lectrons. Remarque : on mesure lintensit avec un ampremtre branch en srie.

    b. Vecteur densit de courant

    Le courant peut s'exprimer en fonction de la vitesse des charges mobiles. On considre un conducteur de section dS. Soit n le nombre de charges mobiles par unit de volume et vr leur vitesse. Pendant la dure dt, la charge dQ qui traverse la section dS est gale :

    dQ n e v dt dS v dt dS= = uur uurr r

    On dfinit le vecteur densit de courant par : j v= r r

    L'intensit du courant travers un conducteur de section totale S s'crit donc :

    ( )S j dSdQIdt

    = = r uur

    Fig. I.1

    c. Loi d'Ohm

    Dans un conducteur, on constate que la densit de courant est relie au champ lectrique par la relation :

    j E= rr

  • Electronique Fondamentale Chapitre I

    Dr. BENSAID DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE Universit de BOUIRA 3

    La constante , fonction de la nature du matriau, est la conductivit. On utilise plutt pour caractriser le

    matriau sa rsistivit 1 EI S

    = =

    Pour un conducteur de longueur L, de section constante S, on dfinit la rsistance R par :

    LRS

    =

    Si VA et VB dsignent les potentiels de deux points A et B distant de L dans le conducteur, la norme du champ lectrique est gale E=( VA - VB) / L

    A BV VJ IE jS L

    = = = =

    On peut crire cette relation sous la forme plus habituelle suivante (loi d'Ohm) :

    VA - VB = RI

    Les tensions s'expriment en volts (V), les intensits en ampres (A) et les rsistances en ohms ().

    La loi d'Ohm traduit la dpendance de l'effet (le courant ou dplacement des charges) la cause (le champ lectrique E

    r auquel correspond une diffrence de potentiel ou tension) en fonction du matriau caractris par

    sa rsistance.

    Attetion : Aucun composant ne respecte rigoureusement la loi dOhm! Par contre, il existe gnralement un domaine de fonctionnement linaire dans lequel le comportement du composant en question suit la loi dOhm.

    Remarque : En utilisant la notation complexe, on peut gnraliser la description linaire dun composant au rgime dynamique , cest--dire lorsque la tension applique suit une variation sinusodale. Dans ce cas prcis, le facteur de proportionnalit, nomm impdance , est une fonction de la frquence. Les condensateurs et les inductances suivent la loi dOhm avec les impdances caractristiques donnes ci-dessus.

    d. Vitesse des lectrons dans un conducteur

    On considre un fil de cuivre de section 10mm parcouru par un courant de 30A. Comme chaque atome de cuivre possde un lectron mobile libre, il y a environ n=8.51028 lectrons libres par m3. La densit de courant j=nev vaut 30105 A/m. La valeur de la vitesse de dplacement des lectrons est donc voisine de 210m/s. Cette vitesse tant trs faible, l'amplitude des dplacements des lectrons pour un courant alternatif est elle aussi trs petite.

    I.1.2. Lois fondamentales de l'lectrocintique

    a. Rgimes permanents et quasi-permanents

    Le rgime permanent est celui qui existe aprs la fin des phnomnes transitoires qui se produisent lors de la mise sous tension d'un circuit.

  • Electronique Fondamentale Chapitre I

    Dr. BENSAID DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE Universit de BOUIRA 4

    Attention

    Si une grandeur lectrique G est fonction du temps, il existe a priori des phnomnes de propagation dans le circuit et G est en fait une fonction du temps et de l'espace : G=f(t,x). Mais si les dimensions du circuit sont ngligeables devant la longueur d'onde associe au phnomne, on peut ngliger la propagation.

    Par exemple, pour une frquence de 1MHz, la longueur d'onde associe (=c/f) est voisine de 300 m. Ce n'est que pour des frquences suprieures 1GHz que la dimension des circuits devient comparable celle de la longueur d'onde.

    Dans l'approximation, dite des tats quasi-permanents, on admet que G est seulement fonction du temps. Il n'y a pas accumulation des charges dans certains points du circuit : un instant donn, l'intensit est la mme en tous points d'un conducteur donn.

    b. Lois de Kirchhoff

    Dans l'approximation des tats quasi-permanents, on peut formuler les deux lois suivantes :

    Aux bifurcations (nuds) d'un circuit, il y a conservation de la charge lectrique et donc de la somme algbrique des intensits : I = 0

    Dans une chane de conducteurs il y a additivit des diffrences de potentiels : UAC = UAB+UBC

    Ces deux lois, appeles aussi loi des nuds et loi des mailles, sont les lois fondamentales de l'lectrocintique et elles permettent (en principe) l'tude de tous les circuits lectriques constitus de diples.

    I.2. Diples lectriques Un diple est un systme accessible par deux bornes dans lequel peut circuler un courant lectrique.

    Le comportement d'un diple est caractris par la relation entre la tension ses bornes et le courant le traversant.

    Pour qu'un courant puisse circuler dans un diple, il faut brancher celui-ci sur un autre diple (diple actif avec un diple passif, ou actif actif).

    I.2.1. Conventions de signe Il existe deux possibilits pour le choix des sens conventionnels de la tension et du courant lectrique :

    La principale difficult rencontre par les nophytes est l'criture correcte des signes. Par convention on pose que dans un circuit orient, le courant est positif si des charges positives se dplacent dans le sens positif.

    Pour les diffrences de potentiel, il existe deux possibilits de choix. Nous utiliserons la convention dite convention rcepteur qui est la plus intuitive car avec cette convention, un courant positif provoque une chute de tension dans le diple plac entre A et B.

    + - + -

  • Electronique Fondamentale Chapitre I

    Dr. BENSAID DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE Universit de BOUIRA 5

    On reprsente les tensions par une flche oriente des potentiels faibles vers les potentiels levs. Ainsi sur la figure, on a UA>UB.

    Avec cette convention, l'expression de la loi d'Ohm est UA-UB=RI; (avec l'autre convention, la loi d'Ohm s'crit UA-UB=-RI).

    En cas de doute dans la mise en uvre, retenez que :

    Dans un rcepteur, les charges s'coulent des potentiels levs vers les potentiels faibles : les flches reprsentatives de la tension et du courant sont de sens contraires.

    Dans un gnrateur, la situation est inverse et les flches reprsentatives du courant et de la tension sont alors de mme sens.

    I.2.2. Caractristique d'un diple

    Fig. I.2 Caractristiques de diples

    Dans un diple, le courant et la tension sont lis par les relations rciproques : U=f(I) et I=g(U)

    Les graphes correspondants dans les plans (U, I) et (I, U) sont les caractristiques du diple.

    Dans la reprsentation U=f(I), on met en avant la loi des mailles et les gnrateurs de tension. Dans la reprsentation I=g(U), on met en avant la loi des nuds et les gnrateurs de courant.

    I.2.3. Classification des diples

    a. Diples actifs et passifs

    Un diple actif change de lnergie avec le circuit et reoit de lnergie depuis une source extrieure au circuit (Ex : une alimentation stabilise (ou un GBF) est branche sur le secteur SONELGAZ). Un diple actif fournit de l'nergie au circuit dans lequel il est connect.

    Un diple passif nchange de lnergie quavec le circuit. Un diple passif consomme de l'nergie. Sa caractristique passe par l'origine (I=0 si U=0).

    Le diple 1 est actif, 2 et 3 sont passifs.

    Attention : Actif n'est pas synonyme de gnrateur, pas plus que passif n'est synonyme de rcepteur, mme si c'est le cas le plus frquent. Il y a de nombreuses exceptions.

  • Electronique Fondamentale Chapitre I

    Dr. BENSAID DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE Universit de BOUIRA 6

    Certains diples passifs (dits ractifs : selfs, condensateurs) peuvent avoir temporairement un comportement de gnrateur et suivront cette convention de signe, alors que des diples actifs sont parfois utiliss comme rcepteurs : on utilisera alors cette convention. Si dans un schma, le calcul du courant circulant dans un diple actif et de la tension prsente ses bornes indiquent que le courant rentre par le ple positif, alors ce diple est utilis en rcepteur.

    Exemple de composant passif utilis comme gnrateur : le condensateur rservoir, trs utilis en lectronique (filtrage des alimentations, dcouplage). Exemple de composant actif utilis comme rcepteur : batterie en phase de charge.

    b. Diples symtriques

    Un diple est symtrique si son comportement reste inchang lorsque lon retourne le diple (Ex : R, L, C sont symtriques ; un GBF, une diode ne sont pas symtriques). Mathmatiquement, la relation courant-tension qui caractrise le diple reste inchange en changeant U et I en U et I. La caractristique est symtrique par rapport l'origine.

    c. Diples linaires

    Un diple est linaire si la tension U ses bornes et lintensit I qui le traverse sont lies par une quation diffrentielle linaire coefficients constants (ex : R, L, C). La diode est un exemple de diple non linaire.

    Les circuits qui contiennent les diples non-linaires ne peuvent, en gnral, pas tre tudis avec des mthodes analytiques rigoureuses. La connaissance des caractristiques permet alors lanalyse de ces circuits avec des mthodes graphiques.

    I.2.4. Gnrateur de tension idal La tension U entre ses bornes, gale E (force lectromotrice du gnrateur), est indpendante du courant qu'elle dlivre. La rsistance interne est nulle. La caractristique est verticale.

    Pour les sources relles, la tension de sortie diminue si le courant dbit augmente.

    Les accumulateurs au plomb, les alimentations stabilises de laboratoire sont de bonnes approximations des sources de tension idales.

    Remarque : Une pile lectrochimique usage prsente une forte rsistance interne : sa tension diminue ds qu'elle dbite dans une charge.

    I.2.5. Gnrateur de courant idal Le courant de sortie I, gal J "courant lectromoteur du gnrateur", est indpendant de la tension entre les bornes de la source. La rsistance interne est infinie. La caractristique obtenue est horizontale.

    Il n'existe pas dans la vie courante de modle de source de courant. Il est possible de simuler une source de courant en plaant en srie une source de tension et une rsistance beaucoup plus grande que la charge. Des circuits lectroniques simples permettent de raliser des sources de courant qui dbitent un courant pratiquement indpendant de la charge. Conseil : Un gnrateur idal doit se comporter comme un rcepteur idal quand on inverse le sens du

    courant qui le traverse. Les gnrateurs rels ne sont en gnral pas rversibles.

  • Electronique Fondamentale Chapitre I

    Dr. BENSAID DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE Universit de BOUIRA 7

    I.2.6. Association de diples :

    a. Association srie :

    Le courant qui traverse les diples associs est le mme ; il y a additivit des tensions aux bornes des diples. Pour des rsistances linaires, on a :

    U = Uk = RkI

    Avec des diples non linaires, on peut construire point par point la caractristique du diple quivalent en utilisant l'additivit des tensions aux bornes des deux diples. UAC=UAB+UBC

    b. Association parallle

    La tension U aux bornes des k diples associs est la mme et il y a additivit des courants qui traversent ces diples. Pour des rsistances linaires, on peut crire :

    I = Ik = GkU avec G = Gk

    Pour des diples non linaires, on peut construire point par point la caractristique du diple quivalent en utilisant l'additivit des courants dans les deux diples.

    Ce circuit trs simple est d'usage frquent en lectronique. Un potentiomtre non charg constitue un diviseur de tension idal.

    I.2.7. Rsistances Une rsistance est constitue de matriau ayant une forte rsistivit. Elle soppose au passage du courant dans un circuit lectrique. On lutilisera donc en gnral pour limiter le courant dans un circuit. Le passage de ce courant provoque un chauffement de la rsistance.

    Gnralement la rsistance est un composant linaire qui est rgie par la loi dOhm dans tous les rgimes (statique ou dynamiques).

    Mais si la valeur de la rsistance est fonction du courant, elle est non linaire. C'est le cas pour les rsistances mtalliques, les varistances, les photorsistantes...

    La loi d'Ohm qui traduit la dpendance entre courant et tension, s'crit : U=RI I=GU

    R est la rsistance dont la valeur s'exprime en ohms (). G est la conductance dont la valeur s'exprime en siemens (S).

    a. Puissance reue par une rsistance :

  • Electronique Fondamentale Chapitre I

    Dr. BENSAID DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE Universit de BOUIRA 8

    P : puissance dissipe sexprimant en Watt. u : tension aux bornes de la rsistance en Volt i : courant traversant la rsistance en Ampre.

    b. Association de rsistance :

    En srie : Req=R1+R2 ++Rn

    En parallle : eq 1 2 n

    1 1 1 1...

    R R R R= + + +

    c. Caractristique : Une rsistance est dfinie par sa valeur nominale en ohm, sa tolrance et la puissance maximale quelle peut dissiper.

    I.2.8. Bobines Une bobine est un enroulement de spires conductrices. Lorsquune bobine est parcourue par un courant, un champ magntique apparat. Cette proprit, qui sera tudi en dtail en lectrotechnique, est lorigine de la relation courant-tension aux bornes dune bobine :

    dIU Ldt

    = en convention rcepteur

    dIU Ldt

    = en convention gnrateur

    Linductance L sexprime en henry (H). Cette expression caractrise une bobine idale. En ralit, lenroulement de fils possde une rsistance de qq que lon ne pourra pas toujours ngliger en TP. On parle de rsistance interne . On modlise alors une bobine relle par lassociation srie dune bobine idale et dune rsistance. En rgime continu, une bobine est quivalente un fil (interrupteur ferm si bobine idale), la tension ses bornes tant nulle quelque soit le courant qui la traverse.

    a. Puissance change et nergie emmagasine par une bobine Pour tablir lexpression de la puissance reue par une bobine, on choisit de se placer en convention rcepteur. La puissance reue est alors gale :

    212

    dI dP LI LIdt dt

    = =

    Contrairement au cas du la rsistance, la puissance reue peut tre positive ou ngative. La bobine peut recevoir ou fournir de lnergie lectrique.

    Le terme 212

    LI est homogne une nergie. Il peut tre interprt comme lnergie emmagasine par la

    bobine. Lorsque la puissance est effectivement reue par la bobine (P > 0), lnergie emmagasine augmente. Lorsque la puissance est effectivement fournie par la bobine (P < 0), lnergie emmagasine diminue. Vous verrez en lectrotechnique que lnergie stocke par la bobine est dorigine magntique.

    Remarque : Lexprience montre que la puissance change par un systme ne peut tre infinie. Cela sapplique au cas de la bobine, avec pour corollaire : lintensit du courant qui traverse une bobine est une fonction continue du temps

    b. Association : Idem rsistance.

  • Electronique Fondamentale Chapitre I

    Dr. BENSAID DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE Universit de BOUIRA 9

    c. Caractristiques : Une bobine rsulte du bobinage dun fil lectrique (dans lair ou sur un support magntique) et elle est donc dfinie par la valeur de sa rsistance interne et son inductance. Ses principales caractristiques sont son coefficient de surtension Q qui dfinit la qualit de la bobine en fonction de la frquence et son niveau de saturation.

    I.2.9. Condensateurs Les condensateurs sont des composants constitus de :

    deux conducteurs qui se font face, ce sont les armatures

    un isolant, le dilectrique , situ entre les deux armatures

    Il existe plusieurs types de condensateur, de gomtrie diffrente : plan, cylindrique Exprimentalement, lorsquune tension U est applique aux bornes dun condensateur, on observe que les armatures slectrisent : elles acquirent respectivement une charge +q et une charge -q. Cette charge est proportionnelle la tension applique :

    q CU= en convention rcepteur q CU= en convention gnrateur

    La capacit C reprsente la capacit du condensateur emmagasiner de la charge sous une tension donne. Elle dpend de la gomtrie du condensateur et de la nature du dilectrique. Elle sexprime en farads (F).

    On utilisera beaucoup plus frquemment la relation courant-tension aux bornes du condensateur : dUI Cdt

    = en convention rcepteur

    dUI Cdt

    = en convention gnrateur

    Remarques :

    En rgime continu, un condensateur est quivalent un interrupteur ouvert, le courant le traversant tant nul quelque soit la tension ses bornes

    Le dilectrique dun condensateur rel nest jamais parfaitement isolant, et un trs faible courant le traverse: on parle de courant de fuite. Sil nest pas ngligeable, on peut modliser un condensateur rel par un condensateur idal en parallle avec une rsistance de lordre de qq M.

    a. Puissance change et nergie emmagasine par un condensateur

    Pour tablir lexpression de la puissance reue par un condensateur, on choisit de se placer en convention rcepteur. La puissance reue est alors gale :

    212

    dU dP CU CUdt dt

    = =

    La puissance reue peut tre positive ou ngative. Le condensateur peut recevoir ou fournir de lnergie

    lectrique. Le terme 212

    CU est homogne une nergie. Il peut tre interprt comme lnergie emmagasine

    par le condensateur.

  • Electronique Fondamentale Chapitre I

    Dr. BENSAID DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE Universit de BOUIRA 10

    Lorsque la puissance est effectivement reue par le condensateur (P > 0), lnergie emmagasine augmente. Lorsque la puissance est effectivement fournie par le condensateur (P < 0), lnergie emmagasine diminue. Vous verrez en deuxime anne que lnergie stocke par le condensateur est dorigine lectrostatique.

    Parce que la puissance change est ncessairement finie, la tension aux bornes dun condensateur est toujours une fonction continue du temps (de mme pour la charge des armatures).

    b. Associations de condensateurs - Capacit quivalente

    Association en srie Linverse de la capacit quivalente est gal la somme des inverses des capacits en srie.

    Association en parallle La capacit quivalente est gale la somme des capacits en parallle.

    c. Caractristiques

    En fonction de la technologie de fabrication, ces diffrents paramtres vont plus ou moins intervenir.

    I.2.10. Modlisation d'un diple linaire quelconque La modlisation d'un diple consiste le remplacer par un circuit quivalent (rpondant aux mmes quations) constitu de diples idaux.

    L'quation de la caractristique d'un diple linaire est de la forme :

    U = a I + b ou I = a' U + b'

    Cette caractristique coupe les axes aux points : (U0, 0) et (0, I0)

    Si le diple est passif alors U0 et I0 sont nuls. Pour un gnrateur rel, U0 est la tension vide (courant dbit nul) et I0 est le courant de court-circuit.

    a. Modlisation d'un gnrateur rel linaire On peut utiliser les deux modles quivalents suivants :

  • Electronique Fondamentale Chapitre I

    Dr. BENSAID DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE Universit de BOUIRA 11

    Si les diples ainsi modliss sont des gnrateurs purs, la rsistance R se nomme la rsistance interne du gnrateur. Elle est nulle pour un gnrateur de tension idal et infinie pour un gnrateur de courant idal. E est la force lectromotrice (f.e.m.) vide cest--dire sans charge entre A et B. J est le courant de court-circuit, cest--dire le courant qui circule dans un conducteur de rsistance nulle plac entre A et B.

    En lectronique de nombreux dispositifs se comportent comme des gnrateurs de courant, on privilgie alors la reprsentation I = g(U).

    b. Rsistance dynamique dun diple Pour calculer les tensions et courants de circuits lectriques simples composs de gnrateurs et de rsistances, on applique la loi d'Ohm et on obtient un systme d'quations linaires permettant de trouver la solution.

    Les composants semi-conducteurs ont, quant eux, des caractristiques non linaires. Or, dans un circuit complexe, on trouvera souvent les valeurs de courants et tensions en rsolvant un systme de plusieurs quations plusieurs inconnues. La rsolution de tels problmes est trs difficile quand on a affaire des quations non linaires. Pour pallier cet inconvnient, on va s'arranger pour utiliser les composants non linaires sur une trs petite portion de leur caractristique, et on va assimiler cette portion une droite (droite qui sera la tangente la caractristique au niveau de la portion utilise).

    On va ainsi dfinir des paramtres dynamiques (ou diffrentiels) du composant non linaire, ces paramtres tant utilisables uniquement sur la portion de caractristique tudie ; on pourra utiliser ces paramtres classiquement, et leur appliquer la loi d'ohm et les thormes classiques de l'lectricit. Le systme d'quations sera alors linaire, donc simple rsoudre avec des outils classiques.

    Par dfinition la rsistance dynamique d'un diple quelconque est donne par : dU

    rI

    =

    Avec : U et I sont respectivement les variations de la tension et du courant autour du point de fonctionnement du diple (figure I.6).

  • Electronique Fondamentale Chapitre I

    Dr. BENSAID DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE Universit de BOUIRA 12

    Fig. I.6

    Dans les rgions linaires de la caractristique, la rsistance dynamique du diple est constante.

    I.2.11. Point de fonctionnement d'un circuit On associe un diple rcepteur D un gnrateur et on veut dterminer quel est le courant qui circule dans ce diple.

    Fig. I.7

    La caractristique du gnrateur U=E-RI (ou I=J-GU) est une droite (trait fin) que l'on nomme droite de charge. L'intersection de la caractristique (trait pais ou pointill) du diple D [U=f(I) ou I=g(U)] avec la droite de charge dfinit le point de fonctionnement.

    Ses coordonnes sont U (tension aux bornes de D) et I (courant qui le traverse).

    Cette construction graphique est bien sr inutile si le diple D est linaire car alors : U=E-RI = DI

    I.3. Lois et rgles gnrales dans les circuits lectriques Ltude des circuits lectriques linaires est base sur les lois de Kirchhoff (loi des mailles, loi des nuds). Leur application conduit une mise en quation dont la rsolution permet dtablir les lois dvolution des diffrentes grandeurs recherches. Ces lois sont gnrales, si bien que leurs rsultats restent valables quelle que soit la nature des signaux appliqus.

    Un nud est un point du circuit reli deux diples ou plus (C et D).

    Une branche de rseau est la partie de circuit comprise entre deux nuds. (CD et EF) Une maille est un parcours ferm de branches passant au plus une seule fois par un nud donn (ACEFDBA et ACDBA et CEFDC).

  • Electronique Fondamentale Chapitre I

    Dr. BENSAID DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE Universit de BOUIRA 13

    I.3.1. Loi de Pouillet Dans le cas o le rseau ne comporte qu'une maille, il est possible de transformer le circuit initial en un circuit ne comportant qu'un seul gnrateur, dont la f.e.m est la somme algbrique des f.e.m des gnrateurs de la maille ( E = k Ek) et une seule rsistance R = k Rk.

    L'intensit dans le circuit est donc : kk

    EEI= =R R

    Cette relation constitue la loi de Pouillet.

    I.3.2. Masse et Potentiel de mass Chaque nud dun circuit lectronique, est caractris par un potentiel lectrique (exprim en Volt). Ce potentiel est dfini par rapport une rfrence (le 0 V) que lon appelle la "masse lectrique" ou simplement la "masse". Le choix de cette rfrence est arbitraire et peut tre plac en nimporte quel point du circuit lectrique. Dans la pratique, on le place sur la borne "-" quand on travaille avec des courants continus et au neutre quand on travaille avec des courants alternatifs.

    Ainsi sur la figure ci-dessous, c'est le point D qui constitue la masse, on a donc VD = 0 et, UAD = VA VD = VA UBD = VB VD = VB UCD = VC VD = VC V1= V2= V3=

    I.3.3. Loi des nuds Il s'agit d'une consquence de la conservation de la charge lectrique. Elle peut sexprimer sous deux formes diffrentes : La somme des intensits des courants arrivant un nud est gale la somme

    des intensits des courants sortant de ce nud Ou La somme algbrique des courants arrivant un nud est constamment nulle.

    I.3.4. Loi des mailles La somme algbrique des tensions rencontres en parcourant une

    maille dans un sens prdfini est nulle. Lapplication de cette loi implique de respecter plusieurs rgles :

    1 La tension aux bornes dun lment est marque par une flche conformment la convention "gnrateur" ou 'rcepteur" en usage.

    2 On choisit un sens de parcours de la maille. 3 On dcrit la maille dans le sens choisi On affecte le signe + aux tensions dont la flche indique le mme sens

    E

    I1

    I2

    I3

    V3

    R1 R2

    R3 R4

  • Electronique Fondamentale Chapitre I

    Dr. BENSAID DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE Universit de BOUIRA 14

    On affecte le signe - aux tensions dont la flche indique le sens inverse

    4 La somme algbrique des tensions est nulle.

    I.3.5. Thorme de superposition Si les circuits tudis sont linaires, ils en possdent les proprits. La principale est la superposition qui peut se traduire de la manire suivante : La rponse globale dun montage soumis plusieurs sources indpendantes est la somme des rponses

    partielles correspondant chaque source. Ainsi, pour chacune des sources indpendantes, on tudie la rponse du circuit en considrant les autres sources indpendantes "teintes" (par contre, les sources commandes restent toujours actives).

    Remarques : Une source de tension idale "teinte" est remplace par un court-circuit (e = 0 i). Une source de courant idale "teinte" est remplace par un circuit ouvert (i = 0 u).

    I.3.6. Thorme de Thvenin Tout circuit deux bornes (ou diple) linaire, constitu de rsistances, de sources de tension et de sources de courant est quivalent une impdance unique ZTh en srie avec une source de tension idale Vth. Eth reprsente la tension vide du rseau linaire (lorsque la portion de rseau dbite dans un circuit ouvert), Zth est limpdance entre les deux bornes du rseau lorsque toutes les sources indpendantes sont teintes.

    Remarque : Un rseau linaire, vu entre deux bornes A et B, peut tre remplac par un gnrateur de tension de f.e.m Vth et de rsistance interne Zth.

    ETh est la d.d.p. mesure vide entre A et B. Zth est la rsistance mesure entre A et B quand la charge est retire du circuit et que tous les

    gnrateurs du rseau sont remplacs par leurs rsistances internes.

    I.3.7. Thorme de Norton Tout rseau linaire pris entre deux bornes peut se mettre sous la forme dun gnrateur de courant IN en parallle avec une impdance ZN. IN reprsente le courant de court-circuit du rseau linaire ZN est limpdance entre les deux bornes du rseau lorsque toutes les sources indpendantes sont teintes.

    Remarque : Un rseau linaire, vu entre deux bornes A et B, peut tre remplac par une source de courant d'intensit IN et de rsistance interne RN.

    V

    I A

    B

    Vth

    Rth

    V

    I

    = gnrateur de Thvenin

    A

    B

    Exemple

  • Electronique Fondamentale Chapitre I

    Dr. BENSAID DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE Universit de BOUIRA 15

    IN est le courant de court-circuit entre A et B. RN est la rsistance mesure entre A et B quand D est retir du circuit et que tous les gnrateurs du

    rseau sont remplacs par leurs rsistances internes.

    I.3.8. Thorme de Millmann Le thorme de Millman est une forme particulire de la loi des nuds exprime en termes de potentiel. Il est ainsi nomm en l'honneur de l'lectronicien amricain Jacob Millman.

    =

    i i

    i i

    i

    R

    RV

    V 1

    I.3.9. Thorme de Kennelly La transformation suivante est parfois utilise pour la simplification de circuits comportant des drivations.

    Equivalence toile triangle Les deux circuits de la figure I.22 sont quivalents si les valeurs de leurs rsistances sont lies par les relations indiques ci-dessous.

    Le passage de la structure triangle (ABC) la structure toile (OABC) s'obtient par les relations :

    Pour la transformation inverse,

    Remarque importante : Les diffrentes mthodes tudies sont quivalentes mais pour l'tude d'un rseau particulier certaines sont mieux adaptes que d'autres. La principale difficult de ce type de problmes est de trouver la mthode la plus pertinente. La mthode de Millman, souvent trs efficace, n'est pas la panace et la mthode de Thvenin doit tre utilise aussi souvent que possible car elle permet de transformer des circuits complexes en des circuits types lmentaires. La mise en uvre simultane de plusieurs mthodes peut aussi s'avrer utile.

    I.4. Analyses statique et dynamique dun circuit On distingue souvent lanalyse statique dun circuit lectronique et lanalyse dynamique.

    En statique, on ne considre que les valeurs moyennes temporelles des grandeurs lectriques. Les signaux sinusodaux y sont carts doffice

    V1

    V2

    ViR1

    R2

    Ri

    VV1

    V2

    ViR1

    R2

    Ri

    V

    1 2 2 3 3 112

    3

    R R + R R + R RR =R

  • Electronique Fondamentale Chapitre I

    Dr. BENSAID DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE Universit de BOUIRA 16

    Cest videmment le cas lorsque toutes les sources sont statiques (puisquil ny a pas de variation possible pour les grandeurs lectriques), mais cest souvent utile galement lorsque le circuit comprend la fois des sources statiques et dynamiques. Dans ce dernier cas, ltude statique permet de dterminer les points de fonctionnement statique des composants du circuit.

    Lanalyse dynamique (si des sources variables sont prsentes) vient complter ltude. On ne sintresse alors quaux relations quil y a entre les composantes variables des grandeurs lectriques.

    I.5. Annexe du chapitre : Les indispensables En lectronique, il existe des conventions un peu diffrentes de ce qu'on trouve en lectrotechnique, et aussi des utilisations spcifiques de certains composants passifs. Nous allons tudier ces particularits dans ce paragraphe.

    I.5.1. Modles et schmas quivalents Les schmas lectroniques font intervenir des composants ayant un comportement simple dcrire mathmatiquement (R, L, C), et d'autres ayant un comportement plus complexe. C'est le cas notamment des semi-conducteurs.

    De manire pouvoir modliser les circuits utilisant ces composants et prvoir leur fonctionnement, on est amens faire un schma quivalent des composants complexes, ce schma tant bti partir de composants simples : rsistances, sources de tension, de courant

    Par exemple, on pourra modliser une diode zner avec un gnrateur de tension parfait et une rsistance srie.

    Il faudra garder l'esprit que ce n'est qu'un schma quivalent, sous certaines hypothses bien dfinies. Il ne saurait tre question d'appliquer le rsultat obtenu par le calcul hors de ces hypothses !

    Exemple : bien qu'on puisse modliser une diode zner par un gnrateur de tension, si on branche une telle diode sur une ampoule, il ne se passera rien ! Ce composant n'est pas l'quivalent d'une pile ou d'un accumulateur.

  • Electronique Fondamentale Chapitre I

    Dr. BENSAID DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE Universit de BOUIRA 17

    Cette remarque volontairement grossie reste valable pour la modlisation en gnral, quel que soit le domaine de la physique considr.

    Lorsqu'on fera des calculs sur un circuit lectronique, on sera guids en permanence par leur prcision : - les composants (rsistances, condensateurs, transistors) font l'objet de dispersions, - les hypothses de calcul conduisent des simplifications (linarisation, petits signaux, ) - le rsultat dsir le sera avec une prcision plus ou moins leve.

    Dautre part, on adoptera souvent la rgle du dixime: si deux paramtres s'ajoutent dans une quation, et que l'un soit plus de dix fois plus petit que l'autre, alors, on va le ngliger.

    Exemple : Si I>10i alors I+i I

    Dans la reprsentation schmatique, on omettra souvent les gnrateurs de tension continue, et de ce fait, le rebouclage des points o ils sont connects avec la masse. De mme, pour mieux comprendre le fonctionnement d'un montage, on tchera (dans la mesure du possible) de btir le schma en mettant le potentiel le plus lev en haut de la feuille et de respecter une chelle des potentiels dcroissants lorsqu'on dessinera les lments du haut vers le bas de la feuille. En procdant ainsi, on aura les flches de reprsentation des potentiels dans le mme sens, et des courants descendants : la comprhension en sera largement accrue.

    I.5.2. Masse et terre La masse est le potentiel de rfrence (fix par convention 0) du montage lectronique : un potentiel n'est pas dfini dans l'absolu, on parle toujours de diffrence de potentiel. Dans un montage lectronique, quand on parlera du potentiel d'un point, il sera sous entendu que ce potentiel est rfrenc la masse du montage.

    La masse sera en gnral le ple moins de l'alimentation continue servant polariser le montage. Cette rgle est uniquement une coutume, elle ne sera pas systmatiquement respecte sur les schmas rencontrs !

    La terre est une connexion physique au sol ( la terre !). Contrairement aux croyances souvent nonces, en aucun cas ce potentiel ne peut tre considr comme rfrence absolue, car il est diffrent d'un endroit de la Terre (la plante) un autre. De plus, le cble de liaison du laboratoire au sol prsente une

    impdance non nulle : si un courant parasite circule dans ce cble, il va y crer une chute de potentiel ; on aura une diffrence de potentiel entre la prise de terre du labo et le sol. La fonction d'une terre est la scurit : elle permet de protger les utilisateurs d'quipement sous tension , et aussi d'vacuer les courants induits par la foudre.

    I.5.3. Interrupteurs Ils permettent d'introduire une coupure dans un circuit lectrique. Nous allons tudier ici le comportement d'un interrupteur parfait.

    a. Interrupteur ouvert

    Lorsque l'interrupteur est ouvert, aucun courant ne circule dans la boucle, et toute la tension se retrouve sur l'interrupteur (U2 est nul, car le courant I est nul).

    La caractristique de l'interrupteur ouvert se confond avec l'axe horizontal : le courant est nul quelle que soit la tension ses bornes :

    0

  • Electronique Fondamentale Chapitre I

    Dr. BENSAID DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE Universit de BOUIRA 18

    b. Interrupteur ferm

    Lorsque l'interrupteur est ferm, le courant peut circuler librement, la tension ses bornes tant nulle ; on suppose celui-ci parfaitement conducteur, exempt de toute impdance parasite.

    La caractristique de l'interrupteur ferm se confond avec l'axe vertical : tension nulle quel que soit le courant qui circule travers :

    I.5.4. Diviseur de tension C'est le montage fondamental de l'lectronique : Plutt que d'appliquer laloi des mailles, on utilisera cette proprit au maximum ; les calculs en seront trs souvent simplifis. La formule donnant la tension de sortie V

    s en fonction de la tension d'entre du pont

    Ve est la suivante :

    En fait, on s'affranchit des courants dans la formulation, ce qui revient implicitement diminuer le nombre d'inconnues, donc d'quations du problme. On arrive ainsi beaucoup plus vite et plus srement le rsoudre.

    I.5.5. Condensateurs de liaison et de dcoupage

    a. Condensateurs de liason : La plupart des montages lectroniques composants discrets ncessitent une polarisation (adjonction d'une tension continue) pour fonctionner correctement.

    l'entre du montage, sur ces tensions continues de polarisation, on va superposer un signal alternatif. Dans la plupart des cas, le gnrateur alternatif ne pourrait pas supporter qu'un courant continu le traverse ; de plus, si on ne veut pas modifier la polarisation du montage, ce gnrateur doit tre neutre du point de vue du rgime continu vis vis du montage qu'il attaque. Pour satisfaire toutes ces exigences, on relie le gnrateur alternatif l'entre du montage par l'intermdiaire d'un condensateur. Ce condensateur prsente une impdance infinie au courant continu : il va ainsi empcher qu'un tel courant ne traverse le gnrateur alternatif ; on ne modifiera pas la polarisation du montage.

    Ce condensateur est dit de liaison. On le choisira toujours pour que son impdance soit ngligeable aux frquences dlivres par le gnrateur alternatif : - Pour le rgime alternatif, et pour les frquences des signaux utiliss, on l'assimilera un court circuit. - Pour le rgime continu, on le considrera comme un circuit ouvert.

    b. Condensateurs de dcoupage : Les ncessits de la polarisation peuvent amener introduire dans le montage des lments (des rsistances notamment) qui nuisent au bon fonctionnement du rgime alternatif. Pour viter ceci, on peut mettre en parallle sur ces lments un condensateur qui va se comporter comme un court circuit pour les signaux alternatifs. Comme pour les condensateurs de liaison, ils ne modifient en rien la polarisation du montage.

  • Electronique Fondamentale Chapitre II

    Dr. BENSAID DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE Universit de BOUIRA 19

    II. Introduction la thorie des semi-conducteurs D'une manire gnrale, tout dispositif utilisant la circulation d'un flux d'lectrons prend le qualificatif d'lectronique. Dans ces dispositifs, un certain nombre de principes physiques sont mis en oeuvre afin de favoriser la naissance du flux d'lectrons. Celui-ci est ensuite contrl l'aide d'un signal de mme nature.

    Parmi les diffrents corps existants, en ce qui concerne l'lectricit, nous pouvons les classer en deux catgories :

    Les matriaux conducteurs, qui permettent le passage du courant tel que le cuivre. Les matriaux isolants, non conducteurs de l'lectricit tel que le mica.

    Entre ces deux limites, s'intercalent les matriaux semi-conducteurs, comme le germanium ou le silicium. Les premiers dispositifs semi-conducteurs furent raliss partir du germanium. Ensuite, on utilisa le silicium. Le germanium est tir des blendes desquelles on extrait galement le zinc. Il y en a peu et il est difficile produire. Le silicium existe en grande quantit puisqu'il est tir du quartz et de la silice. Ce qui explique, en partie, la gnralisation de ce matriau.

    II.1. Rappel sur la thorie des atomes

    Pour comprendre quelque peu le fonctionnement des composants lectroniques raliss l'aide des matriaux ou alliages semi-conducteurs, il nous faut avoir en tte la thorie des atomes. L'explication actuelle que nous donnent les physiciens sur la matire met en jeu la composition de celle-ci.

    La matire serait compose d'atomes d'un diamtre d'environ 10-10 10-12 mtre de diamtre, distincts entre eux par leur nombre de particules dont ils sont eux-mmes composs. Ces atomes sont classs prcisment par l'volution du nombre de ces particules, le premier atome n'en contenant que deux jusqu'aux derniers qui en contiennent plus de cent. C'est le tableau priodique des lments, construit par Dmitri Mendeleev (1834 - 1907). Il est admis que les particules qui composent l'atome sont organises avec un noyau, dont le diamtre est d'environ 10-14 mtre, qui contient des protons et des neutrons accompagn autour d'un nuage de petits lectrons qui gravitent au loin, des distances bien dfinies appeles couches lectroniques. Chaque proton ou neutron, appels tous deux nuclons, est d'un diamtre et d'une masse environ 2000 fois suprieures un lectron.

  • Electronique Fondamentale Chapitre II

    Dr. BENSAID DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE Universit de BOUIRA 20

    Les forces qui interagissent entre toutes ces particules ainsi que celles qui interviennent entre les diffrents atomes d'un objet vont fortement influencer le comportement d'un matriau en fonction des contraintes qu'il subit. En ce qui concerne l'lectricit et ses effets, ce sont essentiellement les lectrons, qui gravitent sur la dernire couche lectronique, qui sont impliqus.

    Les atomes quon trouve dans la nature ne possdent jamais plus de 8 lectrons priphriques (pour un tat stable). Le tableau priodique des lments nous le confirme.

    La reprsentation la plus usuelle d'un atome est celle, propose par le physicien Niels Bohr (1885-1962) qui est une reprsentation trs pratique pour un lectronicien qui va encore le simplifier.

    - Le noyau est constitu de protons et de neutrons. La charge lectrique des neutrons est nulle tandis que celle des protons est positive.

    - Les lectrons possdent une charge de mme valeur que celle des protons mais de signe oppos, c'est--dire ngative.

    - Les charges des protons et celles des lectrons s'quilibrent, ce qui fait que l'atome est lectriquement neutre.

    - Les lectrons tournent autour du noyau, l'image de notre systme solaire et des plantes qui le composent.

    - Les couches successives, sur lesquelles circulent ces lectrons, constituent des niveaux d'nergie.

    Cela signifie que plus la couche est rapproche du noyau, plus il faut d'nergie pour lui arracher un lectron.

    C'est la dernire couche, ou couche extrieure dite de valence, qui nous intresse car c'est elle qui permet les liaisons avec les atomes voisins autorisant ainsi la constitution de la molcule. D'autre part, c'est sur cette couche que l'on pourra tricher en ajoutant ou retranchant un lectron. La charge lectrique d'un atome est neutre. On peut rompre cet quilibre en lui retranchant un lectron de sa couche priphrique. La charge restante devient positive. On dit que l'atome est ionis positivement et il prend le nom de cation. Dans le cas contraire, si on ajoute un lectron la couche de valence, l'atome est ionis ngativement. Il prend le nom d'anion.

    Reprsentation dans le plan dun atome (Niels Bohr)

    II.2. Semi-conducteurs purs ou intrinsques

    Il est facile de simplifier au maximum la reprsentation de Niels Bohr en ne laissant apparatre que le noyau avec les couches lectronique interne et la dernire couche lectronique, appele couche priphrique ou couche de valence.

  • Electronique Fondamentale Chapitre II

    Dr. BENSAID DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE Universit de BOUIRA 21

    Un matriau semi-conducteur a la particularit de possder 4 lectrons priphriques, soit exactement la moiti d'une couche compltement sature. Cette particularit va lui donner un comportement particulier en ce qui concerne les phnomnes lectriques, entre autres.

    Le matriau semi-conducteur actuellement le plus utilis est le SILICIUM.

    Toutefois, pour utiliser du silicium en lectronique, il faut obtenir des plaquettes d'une puret extraordinaire. La puret est de l'ordre de un atome impur pour un million d'atomes de silicium.

    Si la temprature est trs basse, le tout reste totalement stable et le matriau peut tre considr comme isolant. Pour illustrer non seulement un seul atome de silicium mais une plaquette entire, nous simplifions la reprsentation en ne faisant apparatre que les noyaux avec les couches atomiques intrieures par les cercles comme ci-dessus et avec des traits doubles pour illustrer les lectrons priphriques entre chaque atomes.

    De plus, les atomes du silicium purifi s'organisent entre eux de manire trs rgulire, suite aux traitements subis, ce qui nous amne parler d'un cristal semi-conducteur, ou d'une structure cristalline du silicium. Cette organisation atomique donne des proprits lectriques particulires au silicium lectronique. Grce l'organisation cristalline, chaque atome est entour de quatre atomes voisins qui vont combiner ensemble leurs lectrons de valence de fait que chaque atome se trouve entourer de huit lectrons priphriques. Ce qui donne la proprit d'un isolant parfait :

    " TRES BASSE TEMPERATURE, AU VOISINAGE DU ZERO ABSOLU (0 KELVIN) LE SILICIUM PUR EST UN ISOLANT PARFAIT".

    Ds que la temprature augmente, l'agitation des atomes entre eux va bousculer cet ordre tabli et des lectrons priphriques peuvent se retrouver arrachs la liaison cristalline des atomes. Ces lectrons se retrouvent une distance des noyaux qui leur permet de se dplacer dans la plaquette de silicium.

    Les lectrons ainsi librs ont chacun rompu une liaison cristalline du silicium. Ils ont donc laiss derrire eux un emplacement vide, nous parlons d'un "trou".

    Ces lectrons vont se dplacer librement dans la plaquette jusqu'au moment o ils rencontrent un "trou" et se fixer nouveau dans le rseau. Ce dplacement alatoire d'lectrons (dans n'importe quel sens) correspond un courant lectrique alatoire qui reprsente ce que nous appelons du souffle lectronique.

  • Electronique Fondamentale Chapitre II

    Dr. BENSAID DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE Universit de BOUIRA 22

    Toutefois, ce courant est trs, trs faible et nous parlons de conduction intrinsque. Cette conduction intrinsque est pratiquement non mesurable pour un technicien de maintenance. Ces courants, souvent indsirables, sont de l'ordre du nano Ampre et appels courants de fuites. Mme non mesurables, ces courants de fuites existent nanmoins et deviennent trop importants si la temprature n'est pas contrle.

    "UN SEMI-CONDUCTEUR EST DONC TRES SENSIBLE A LA TEMPERATURE ET NECESSITERA DES MOYENS EXTERNES DE STABILISATION. SANS QUOI UN EMBALLEMENT THERMIQUE ENTRANE TRES VITE LA DESTRUCTION DU SEMI-CONDUCTEUR".

    Autrement : Pour arracher un lectron de son orbite, il faut le soumettre une force plus importante que celle qui le lie son noyau. Cette force peut tre la rsultante d'un champ lectrique cr par une tension, ou une lvation de temprature dont les effets se manifestent par des vibrations molculaires. Ces vibrations se traduisent par l'application d'un systme de forces sur les lectrons dont la rsultante peut suffire arracher ceux-ci de leur orbite. la temprature de 20 C, le rseau cristallin du silicium est le sige d'une agitation thermique importante. Des lectrons sont alors arrachs de leurs orbites et, dans leurs cheminements, ils se recombinent avec des atomes ioniss positivement (c'est--dire des cations ou atomes ayant perdu prcdemment un lectron).

    La quantit d'lectrons libres est toujours gale la quantit de trous prts accepter un lectron, car la formation d'un trou est la consquence du dpart d'un lectron.

    Une augmentation de temprature entrane la formation d'une quantit encore plus grande de paires lectrons-trous . La mobilit de celles-ci conditionne la densit du courant circulant dans le matriau (le courant lectrique est un dplacement d'lectrons).

    On constate, pour les semi-conducteurs, que lorsque la temprature augmente, la conductibilit fait de mme.

    Dans le germanium, cette augmentation est plus importante, car la force ncessaire pour arracher un lectron de son orbite est plus faible que pour le silicium.

    II.3. Semi-conducteurs extrinsques ou dops

    Afin d'amliorer la conduction d'un semi-conducteur, les fabricants injectent dans une plaquette semi-conductrice des matriaux trangers, ou impurets, qui possdent un nombre d'lectrons priphriques juste infrieur ou juste suprieur aux 4 lectrons du semi-conducteur.

    Le dopage N consiste ajouter au semi-conducteur des atomes possdants 5 lectrons priphriques (antimoines, phosphore, arsenic lments du groupe V du tableau de MENDELEYEV). Quatre de ces lectrons vont participer la structure cristalline, et un lectron supplmentaire va se retrouver libre et pouvoir se dplacer dans le cristal. Nous parlons de porteurs de charges mobiles.

    Les ions + sont fixes car ils font partie de la structure atomique cristalline de la plaquette de silicium.

  • Electronique Fondamentale Chapitre II

    Dr. BENSAID DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE Universit de BOUIRA 23

    Rappelons que les ions comprennent le noyau des atomes et qu'ils sont gros, lourds et solides par rapports aux porteurs de charges mobiles. Un lectron est environ 2000x plus petits qu'un seul proton.

    Le rsultat du dopage que nous venons de dcrire se nomme :

    La conductibilit de type N, dans laquelle les porteurs majoritaires sont les lectrons, les porteurs minoritaires, les trous.

    Le dopage P consiste ajouter au semi-conducteur des atomes possdants 3 lectrons priphriques (bore, aluminium, gallium, indium, groupe III de la classification de MENDELEYEV). Ces trois lectrons participent la structure cristalline, mais un "trou" est cr par chaque atome tranger puisqu'il lui manque un lectron priphrique.

    Les "porteurs de charges lectriques" mobiles sont responsables de la conduction d'une plaquette de silicium dope. Si la proportion de dopage est de l'ordre de dix atomes de dopant P pour 100 atomes de silicium, la conductibilit du semi-conducteur est amliore dans la mme proportion, soit de 10%.

    Il est donc possible de "rgler" la conduction d'un semi-conducteur en choisissant la quantit de dopage. l'intrieur d'un circuit intgr, il est ais d'imaginer des zones plus ou moins dopes de manire obtenir des rsistances lectriques.

    Ce dopage permet d'obtenir :

    La conductibilit de type P, dans laquelle les porteurs majoritaires sont les trous, les porteurs minoritaires, les lectrons.

    II.4. Effet diode, la jonction P N Nous avons fait la connaissance de deux types de semi-conducteurs :

    le type N le type P

    Si on associe, cte cte, un matriau de type N avec un matriau de type P, nous effectuons une jonction. Celle-ci dsigne la mince zone dans laquelle la conductibilit passe du type N au type P (ou l'inverse).

    Examinons ce qui se passe au niveau de cette jonction dans les cas suivants : - sans polarisation - avec polarisation inverse - avec polarisation directe

    II.4.1. Jonction non polarise

    A la mise en contact de deux semi-conducteur de types diffrents (N et P), les lectrons porteurs majoritaires de la zone N, diffusent dans la zone P o ils se recombinent avec les porteurs majoritaires de cette zone, en prenant place dans les trous. Il y a dsquilibre des charges lectriques, en effet, dans la zone N, les lectrons ayant disparu, la charge des donneurs ou ions positifs (cations) n'est plus contre-balance et cette zone devient positive.

  • Electronique Fondamentale Chapitre II

    Dr. BENSAID DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE Universit de BOUIRA 24

    L'apport d'lectrons dans les lacunes de la zone P modifie l'quilibre lectrique de cette zone avec apparition d'ions ngatifs (anions). Le dplacement d'lectrons de la zone N vers la zone P se nomme : courant de diffusion (Id) Il s'accompagne d'une charge d'espace positive du ct du matriau N et d'une charge gale mais de signe contraire du ct du matriau P. Celles-ci crent un champ lectrique Ei

    Jonction NP non polarise L'effet de ce champ lectrique Ei va forcer les lectrons porteurs minoritaires de la zone P, circuler vers les lacunes ou porteurs minoritaires de la zone N, tendant contre-balancer les charges perdues par courant de diffusion. Un courant d'lectrons s'tablit de la zone P vers la zone N Appel : courant de conduction (Ic). Celui-ci est d, dans ce cas, aux porteurs minoritaires de ces zones. La jonction est le sige de deux courants gaux mais opposs. Il ne circule aucun courant dans le circuit extrieur. La zone dans laquelle prend naissance le champ lectrique Ei se nomme : Barrire de potentiel Dans cette zone, la concentration en porteurs devient identique celle de la conduction intrinsque ( temprature gale). Cela signifie qu'une jonction PN non alimente est l'image d'un condensateur, cest--dire deux zones conductrices spares par une zone isolante.

    II.4.2. Jonction polarise dans le sens inverse

    Appliquons maintenant le ple ngatif d'une pile sur l'lectrode du matriau P et le ple positif sur le matriau N. Le champ lectrique cr par l'application de la tension de cette pile est de mme sens que le champ lectrique Ei de la barrire de potentiel. Ces deux champs s'additionnent et favorisent la circulation d'lectrons ou porteurs minoritaires du courant de conduction. De plus, les lectrons libres de la zone N et les porteurs majoritaires de la zone P (les trous) sous l'effet de ce champ, vont s'carter de la jonction.

    Jonction PN polaris dans le sens inverse

    Il s'ensuit que la concentration en cations de la zone N et anions de la zone P va augmenter prs de la jonction. La barrire de potentiel est largie et la circulation d'lectrons, porteurs majoritaires, est dficitaire par rapport celle des porteurs minoritaires, d'autant que le champ Eext augmente. Une limitation de ce courant s'tablit car le dpart des lectrons de la zone P et leur arrive dans la zone N, crent une charge d'espace qui limite ce courant en contrecarrant l'augmentation de Eext. Il circule donc un faible courant dans

    Ic

  • Electronique Fondamentale Chapitre II

    Dr. BENSAID DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE Universit de BOUIRA 25

    le circuit extrieur. A temprature constante, pour une augmentation de la tension de la pile U donc une augmentation de Eext, le courant reste pratiquement constant car il est d aux porteurs minoritaires issus de l'agitation thermique.

    Au del d'un certain seuil, on constate que le courant augmente de faon brutale. L'augmentation du champ Eext confre aux lectrons du courant de conduction une vitesse telle que leur nergie cintique atteint une valeur suffisante pour, qu'en cas de choc, avec un atome rencontr sur leur trajectoire, elle arrache un lectron de celui-ci crant ainsi une augmentation d'lectrons libres. Ces lectrons s'ajoutent aux premiers et l'effet devient cumulatif. Ce phnomne prend le nom d'effet d'avalanche. Il est utilis pour certains dispositifs comme les diodes Zener.

    Dans une jonction qui n'est pas ralise pour cet effet, celui-ci entrane la destruction irrmdiable de la jonction par claquage. La tension qui cre le champ lectrique Eext pour lequel le phnomne se produit prend le nom de : tension de claquage inverse ou tension d'avalanche. En de de cette tension, si on augmente la temprature, tension constante, l'agitation thermique augmente et le courant des porteurs minoritaires fait de mme. Donc le courant inverse augmente. C'est un fait important dont il faudra se souvenir. Nous en reparlerons par la suite dans les paragraphes consacrs la diode et au transistor.

    La tension de claquage est appele : VRM (R = reverse = inverse ; M = maximum) Le courant de conduction d aux porteurs minoritaires, la jonction tant polarise en inverse, est appel : IR (R = reverse = inverse).

    II.4.3. Jonction polarise dans le sens direct

    Jonction PN polaris direct

    une faible valeur de la tension correspond un faible champ lectrique Eext, dirig en sens inverse du champ Ei. Ces deux champs s'opposent et le rsultat est une diminution de Ei. Celui-ci tant l'origine du courant de conduction (porteurs minoritaires de la zone P), nous constatons une diminution proportionnelle de ce courant. Par consquent, le courant de diffusion (porteurs majoritaires de la zone N) va devenir prpondrant et un faible courant va circuler dans le circuit extrieur. Le dpart des lectrons de la zone N tend crer un dsquilibre de charge dans ce matriau immdiatement rtablit par la pile, qui en injecte une quantit gale. De mme, l'arrive de ces lectrons dans la zone P tend crer un dsquilibre dans ce matriau (de signe oppos au prcdent), mais la polarit positive de la pile applique de ce ct, aspire les charges ngatives en excs, rtablissant l'quilibre. L'augmentation progressive de la tension, ne conduit pas une augmentation sensible du courant dans le circuit extrieur. Cependant, lorsque l'on atteint un certain seuil, dont la valeur reste faible malgr tout, on constate une brusque augmentation du courant. Le champ lectrique rsultant, confre aux lectrons porteurs majoritaires de la zone N (courant de diffusion), une nergie suffisante pour qu'ils traversent en grand nombre, la barrire de potentiel, dont la largeur est maintenant trs rduite. La pile compense le dpart des lectrons de la zone N et favorise l'arrive de ceux-ci dans la zone P. La circulation du courant est bien tablie et pour une faible augmentation de la tension, on constate une grande augmentation du courant.

  • Electronique Fondamentale Chapitre II

    Dr. BENSAID DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE Universit de BOUIRA 26

    A cette valeur de champ lectrique Eext, qui conditionne la nette augmentation de courant, correspond une tension que l'on nomme : VD ou VF - (F = forward = direct). Le courant qui circule dans le circuit extrieur et qui correspond la polarisation dans le sens direct (ou passant) se nomme : ID ou IF - (courant direct)

    La temprature a peu d'influence sur ce courant ; seule la tension de seuil est affecte, nous verrons de quelle manire en observant les caractristiques de la diode.

    La figure ci-dessous indique les symboles des diffrentes jonctions que l'on peut rencontrer dans les dispositifs semi-conducteurs.

    Reprsentation dune jonction.

  • Electronique Fondamentale Chapitre III

    Dr. BENSAID Dpartement de Gnie lectrique Universit de BOUIRA 27

    III. Diodes et circuits diodes : III.1. Diodes jonction Les diffrentes dfinitions : Une diode est un lment en silicium form de deux rgions de dopage diffrent, savoir dopage P et

    dopage N. La runion des deux zones de dopage, sur une mme plaquette de silicium, s'appelle une jonction PN.

    Une diode est une jonction PN protge par une matire isolante du dessus. Les connexions avec le milieu extrieur sont ralises par des contacts mtalliques. Par construction les jonctions entre mtal et semi-conducteur sont purement ohmiques (non redresseuses).

    Par analogie au redresseur vide ou redresseur gaz, on appel la zone P anode et la zone N cathode.

    Symboles diodes

    La diode est un composant lectronique qui, si elle est mise sous tension, ne laisse passer le courant que dans un seul sens. Mais ses limites de fonctionnements sont dpasses, celle-ci devient passante.

    La diode est un composant lectronique qui ne laisse passer le courant que si le potentiel de son anode est suprieur celui de la cathode.

    Remarque : On verra plus loin que, pour que la diode devienne passante, le potentiel VA doit tre suprieur la somme : VK+Vs. (la tension de seuil est de lordre de 0.2V dans le cas du germanium et 0.6V pour le silicium). La diode dans les circuits lectriques : Complter le vide par les mots et symboles suivants : , passante, bloque, inverse, direct.

    Diode polarise Diode polarise.. Etat dune diode sous dans un circuit lectronique

    III.1.1. Caractristique courant-tension dune Diode jonction Le comportement d'une diode peut se dduire de sa caractristique courant - tension :

    ID = f (UD) La courbe obtenue n'tant pas une droite, nous parlons d'un lment non-linaire. Ce qui signifie que le courant qui circule dans l'lment n'est pas proportionnel la tension applique, donc ne dpend pas uniquement de la loi d'ohm.

    Dans le sens direct, la tension de seuil est la tension ncessaire appliquer la diode pour qu'elle devienne conductrice. USEUIL 0,6V pour le Si.

    A K E R

    VA.VK Diode .

    A K E R

    VA.VK Diode .

    N P Anode Cathode

    A K

  • Electronique Fondamentale Chapitre III

    Dr. BENSAID Dpartement de Gnie lectrique Universit de BOUIRA 28

    Caractristique courant-tension dune diode jonction

    Au del de la tension de seuil, le courant ne dpend pratiquement plus que de la rsistance totale du circuit. La tension aux bornes de la diode est comprise entre 0,6V et 0,8V. Le courant inverse est trs faible (de l'ordre du nanoampre). Il augmente trs fortement au del d'une certaine tension inverse, appele tension de claquage. La tension inverse de claquage varie entre 10 et 1000 Volts suivant le type de diode. Dans la plupart des cas, l'emballement thermique entran par la tension de claquage dtruit la diode. Les caractristiques varient considrablement avec la temprature et les concepteurs de circuits doivent en tenir compte. Nous n'entrerons pas ici dans plus de prcisions concernant ces caractristiques, car pour le dpanneur, de plus amples dtails sont fournis dans les livres de correspondances (data-book) auxquels nous pouvons ici quencourager la lecture. Par contre, et avant d'analyser les divers circuits d'utilisations des diodes, voici quelques grandeurs que nous pouvons considrer comme importantes et qu'il faut garder en mmoire :

    Courant direct maximum : IF Courant direct maximum de crte : IFM Tension inverse maximum : UR Tension inverse maximum de crte : URM

    a. Caractristique directe :

    Polarisation directe de la diode

    On obtient la caractristique directe en polarisant la diode dans le sens direct. Dans ce cas, la diode ne devient passante (conductrice) que lorsque la tension applique ses bornes (Ud=UAK=VA-VK) est suprieure sa tension de seuil Vs. La diode est alors traverse par un courant Id qui varie lorsque la tension Ud varie. Il est donn par la relation suivante :

    = 1kT

    eU

    invd

    d

    eII

    Avec : k : constante de Boltzmann = 1.3810-23 J / K,

    A K

    E R Ud Id

  • Electronique Fondamentale Chapitre III

    Dr. BENSAID Dpartement de Gnie lectrique Universit de BOUIRA 29

    e : charge de llectron = 1.610-19 Coulombs, T : temprature en K

    Iinv : est le courant inverse, il est trs faible, mais crot rapidement avec laugmentation de la temprature. Il est de lordre du 10nA 300K et de 16000nA 400K.

    On pose : e

    kT= , 300K cette variable est gale 26mV.

    Quant la tension Ud varie de 0 une tension suprieure Vs, la rsistance rd de la diode diminue de une

    rsistance trs faible.

    ==>

    =

    ==

    [mA][mV]

    260

    11

    IIrVU

    rUeI

    dUdI

    r dsd

    ddU

    invd

    d

    d

    d

    b. Caractristique inverse :

    En polarisation inverse, le courant inverse d aux porteurs minoritaire est trs faible mais crot rapidement avec laugmentation de la temprature. Il est de lordre de 10nA 25C et de 16A 125C.

    Au-del dune certaine valeur de Uinv il y a claquage de la jonction par effet davalanche.

    Polarisation inverse de la diode

    Lpaisseur de la jonction tant trs faible, mme avec des potentiels peu levs, le champ lectrique au niveau de la jonction peut tre trs grand. Sous leffet de ces champs intenses (E>105 V.cm-1), il y a ionisation des atomes et production dlectrons, qui sont eux-mmes acclrs et qui provoquent de nouvelles ionisations (avalanche) qui rendent la jonction conductrice : si rien ne limite le courant, il y a destruction de la jonction par emballement thermique. La tension inverse admissible varie selon les diodes entre 10V et 1000V.

    Cependant cet effet davalanche est utilis dans les diodes fortement dopes et dont la zone de transition est trs mince, comme la diode Zener, pour limiter la tension une certaine valeur. Dans ces diodes, le champ lectrique peut provoquer la rupture directe de liaisons covalentes et le passage d'lectrons de la bande de valence dans la bande de conduction. Pour des champs de l'ordre de 2.107 V.cm-1, la tension de claquage est de l'ordre de 6V pour les diodes trs dopes. Le courant inverse crot alors brutalement, la diode devient alors passante dans le sens inverse. On dit quil y a effet davalanche ou claquage de la diode. L'effet est rversible et non destructif. La jonction prsente aprs le claquage une rsistance trs faible. En agissant sur le dopage et sur l'paisseur de la zone de transition, on peut ajuster la valeur de la tension (dite tension de Zener) au-del de laquelle se produit le claquage entre 3 V et 200 V.

    III.1.2. Caractristique courant tension dune diode jonction idale

    Caractristique dune diode idale

    Dans certains calculs on considre que la diode est idal, c'est--dire quon nglige sa tension de seuil et sa rsistance dynamique. La diode est donc passante (conductrice) ds que la tension applique ses bornes est

    A K E R Uinv

    Iinv

    O Ud

    Id

  • Electronique Fondamentale Chapitre III

    Dr. BENSAID Dpartement de Gnie lectrique Universit de BOUIRA 30

    positive. Et dans le circuit, elle est considre comme un interrupteur ouvert quant elle est polarise en inverse et ferm quant elle est polarise en direct. La chute de tension ses bornes est nulle.

    III.1.3. Modles dapproximation dune diode

    Considrons le circuit ci-dessous :

    Circuit quivalent de la diode

    La diode peut tre reprsent par sa rsistance dynamique (considre gnralement constante) en srie avec Vs qui reprsente la barrire de potentiel.

    Trois cas de simplifications sont gnralement utiliss dans les calculs de circuits diodes : a) Vs=0 et rd0 b) Vs0 et rd=0 c) Vs0 et rd0

    a b c Caractristiques courant-tension simplifies dune diode

    III.1.4. Association de diodes

    Association en srie de diodes

    En srie : la caractristique quivalente s'obtient graphiquement en considrant que la tension aux bornes de l'ensemble est la somme des tensions aux bornes des deux diodes. On peut aussi utiliser cette construction pour tudier l'association d'une diode avec un autre composant passif comme par exemple une rsistance. En parallle : on peut utiliser une construction analogue en considrant cette fois qu'il y a additivit des courants dans les deux diodes. L'association en parallle des deux diodes ne prsente aucun intrt pratique car tout le courant traverse la diode dont la tension de seuil est la plus faible.

    III.1.5. Limites de fonctionnement dune diode

    La puissance dissipe dans une diode est gale au produit IVAK . L'chauffement correspondant produit par l'effet Joule ne doit pas amener la temprature de la jonction au-dessus d'une valeur limite, fonction de la

    E R D1 D2

    D2 D1 Deq

    O Ud

    Id

    O Ud

    Id

    O Ud

    Id

    E R Ud

    I

    E R Vs

    I

    rd

  • Electronique Fondamentale Chapitre III

    Dr. BENSAID Dpartement de Gnie lectrique Universit de BOUIRA 31

    nature du matriau, afin que le courant inverse ne dpasse pas des valeurs inacceptables. Pour le silicium cette temprature est de l'ordre de 185C. La tension inverse doit rester infrieure la tension de claquage. Les diodes de redressement sont peu dopes pour avoir une bonne tenue en inverse. Le courant direct maximum admissible est conditionn par la puissance maximale que peut dissiper la diode. Selon la surface de la jonction, le courant direct admissible peut varier entre quelques milliampres pour une diode de signal et quelques dizaines d'ampres pour une diode de puissance.

    III.2. Circuit Diodes

    Les diodes sont utilises principalement dans les circuits selon trois groupes de fonction diffrents: Les circuits de redressement : qui permettent la conversion d'une tension alternative en une tension continue. Les circuits d'crtage : qui permettent d'empcher un signal ou circuits de limitation de dpasser une valeur (amplitude) choisie. Les circuits de commutation : qui permettent la commande ou le changement de normes, ou encore pour les circuits logiques. III.2.1. Redressement dune tension alternative

    On utilise les diodes pour obtenir une tension signe unique (continue) partir dune tension alternative. On peut obtenir cette tension soit avec une seule diode monte en srie avec la source (montage mono alternance) ou bien avec deux diodes ou encore avec un pont quatre diodes. Avant dentamer ltude des redresseurs diodes, attardons nous un petit peu sur les signaux alternatifs.

    a. Redressement mono alternance (simple alternance)

    La diode, prsentant une rsistance pratiquement infinie lorsqu'elle est polarise en inverse, peut tre utilise pour obtenir un courant unidirectionnel partir d'un courant alternatif tel que le courant sinusodal.

    Circuit redressement mono alternance

    a b Redressement mono alternance

    Dans le circuit de la figure ci-dessus, la diode est passante quand le potentiel de son anode est suprieur de 0,6 V celui de sa cathode. La charge R est traverse par du courant uniquement pendant les alternances positives.

    On pose : rt = rd + rg e = V sin(t) = rt I+ UR +Vs Avec : rd rsistance de la diode et rg rsistance du gnrateur de tension. r : e Vs = (rt + R)I

    e = V sin(t) R ~ UR

    UR e

    UR

    e

  • Electronique Fondamentale Chapitre III

    Dr. BENSAID Dpartement de Gnie lectrique Universit de BOUIRA 32

    Si e > 0 rd = 0 donc ( )t

    sRrR

    RVeU+

    = et UAK=0

    Si e < 0 rd = donc UR = 0 et UAK = V sin(t) avec t [pi 2pi]

    On nglige la tension de seuil si et seulement si V >> Vs. Les figures 3.11a et 1.11b donne la tension redresse dans les cas successifs o e = 2 sin(t) et e = 30 sin(t). Si on nglige la tension de seuil. La valeur moyenne de la tension redresse est donne par :

    ( ) ( )[ ]pi

    V

    tTVdttV

    TU

    TT

    R === 202

    0

    cossin1

    La tension inverse maximale aux bornes de la diode est gale : -V

    b. Redressement Double alternance Pour que VL sapproche un peu plus dune tension continue, on va redresser les deux alternances.

    - Montage transformateur point milieu :

    Montage de transformateur point milieu

    Si on prend le point milieu du transformateur comme rfrence, les tensions de sortie du transformateur e1 et e2 sont en opposition de phase. Pendant lalternance positive de e1, e2 ngative, la diode D1 conduit et alimente la charge alors que la diode D2 est bloque alors UR = e1. Pendant lalternance ngative de e1, e2 positive, la diode D1 est bloque alors que la diode D2 conductrice, alimente la charge UR = e2. La charge se trouve ainsi alimente pendant les deux alternances. La tension UR est reprsente sur la Erreur ! Source du renvoi introuvable..

    La tension moyenne redresse en rgime sinusodale, V1=V2=V, est donne par :

    ( )pipi

    effT

    R

    VVdttVT

    U

    === 222

    sin1

    0

    La tension inverse maximale aux bornes de la diode D1 est : Ud=e1-e2=V1+V2=2V La tension inverse maximale aux bornes de la diode D2 est : Ud=e2-e1=V2+V1=2V

    - Montage avec pont de diodes :

    Le montage prcdant pour le redressement double alternance ncessite un transformateur point milieu. Le montage ci-dessous est aussi un montage de redressement double alternance avec un simple transformateur et un pont 4 diodes.

    e1

    e2

    R

    UR

    IR

    UR

    e1

    e2

    e1 = V1 sin(t) e2 = V2 sin(t)

  • Electronique Fondamentale Chapitre III

    Dr. BENSAID Dpartement de Gnie lectrique Universit de BOUIRA 33

    Montage redressement double alternance

    Pendant lalternance positive de Ve, les diodes D1 et D2 sont passantes et alimentent la charge (UR = Ve), les diodes D3 et D4 sont bloques. Pendant lalternance ngative de Ve, les diodes D3 et D4 sont passantes et alimentent la charge, (UR = -Ve) les diodes D1 et D2 sont bloques. Le rsultat est que la charge est alimente toujours dans le mme sens, la tension VL est la mme que celle de la Erreur ! Source du renvoi introuvable.. La tension moyenne redresse est la mme que le montage prcdant :

    ( )pipi

    effT

    R

    VVdttVT

    U

    === 222

    sin1

    0

    La tension inverse maximale aux bornes de chaque diode est : Ud = -Vemax

    c. Filtrage de la tension redresse La tension obtenue aprs redressement est unidirectionnelle, mais elle n'est pas continue. Le signal obtenu est priodique ; il contient une composante continue (la valeur moyenne du signal) et des harmoniques que l'on dsire annuler. Autrement dit, on cherche rendre la tension redresse avec moins dondulations. Ceci est possible en mettant un condensateur en parallle avec la charge par exemple.

    Filtrage par condensateur en tte

    Charge du condensateur Ds que VA > Vs+VK la diode est passante : le condensateur se charge rapidement travers la rsistance de la diode rd car celle-ci est trs infrieure celle de la charge (R). On peut dfinir la constante de temps de charge c = Crd. La tension crte atteinte aux bornes du condensateur est gale V- VAK. On admet que la rsistance de la charge est assez grande pour pouvoir ngliger le courant de dcharge dans R devant le courant de charge. On constate donc que pendant la quasi-totalit du temps, la diode est passante entre les points A et B et donc le condensateur se charge pendant toute cette priode.

    Dcharge du condensateur Ds que VA < VK, le gnrateur est isol de la charge par la diode qui est bloque. Le condensateur se dcharge dans R avec une constante de temps d = RC. La qualit du filtrage est d'autant meilleure que le

    e = V sin(t) R ~ UR C

    R

    A

    B

    T

  • Electronique Fondamentale Chapitre III

    Dr. BENSAID Dpartement de Gnie lectrique Universit de BOUIRA 34

    courant de dcharge est faible : il faut utiliser des condensateurs de capacit lev pour obtenir une constante de temps de dcharge aussi leve que possible.

    Ondulation rsiduelle La tension UR nest pas tout fait continue, elle comporte une ondulation damplitude UR qui est dautant plus faible que la valeur de C est leve. Dterminons la valeur de UR et la valeur moyenne de la tension aux bornes de la charge UR. Lquation de UR pendant la dcharge du condensateur est RC

    t

    eVU R

    =. Si on nglige la tension de seuil,

    linstant t=B UR=V et on note V1 la valeur de UR linstant t=A. On obtient : ( )121 VVU R =

    Si la valeur de C est importante, la dcharge du condensateur dure quasiment toute la priode T et on aura : RCT

    VeV =1 et donc : ( )RCTeVU R = 121 Dautre part on sait que : 1>>

    RCT

    1

  • Electronique Fondamentale Chapitre III

    Dr. BENSAID Dpartement de Gnie lectrique Universit de BOUIRA 35

    Diode zener Polarise inverse La caractristique directe de la diode Zener est identique celle dune diode normale. La diffrence rside dans sa caractristique inverse. La tension aux bornes de la diode Zener reste constante quel que soit le courant inverse qui circule dans la diode. Cette tension dite tension de claquage UZ ou Vb (breakdown voltage) reste importante pour les diodes usage gnral (quelques centaines de Volts), sa valeur est prcise par les constructeurs pour chaque type de diode.

    Caractristique courant-tension de la diode Zener

    La caractristique tension - courant dune diode Zener montre ces phnomnes. IZ = f (UZ)

    Dans le sens direct : La diode Zener se comporte comme une diode conventionnelle. UZ 0,6V. Et le courant maximum direct dpend du circuit externe la diode. Dans le sens inverse : La diode prsente une rsistance trs petite ds que la tension de claquage, ou tension Zener, est atteinte. La diode est dans ce cas en conduction inverse, et il est impratif de limiter le courant dans celle-ci, avec une rsistance en srie, par exemple.

    Dans ce cas, UZ UZNOM (si IZMIN < IZ < IZMAX) Nous pouvons galement tablir la valeur de la rsistance interne que la diode prsente au circuit. Nous parlons de rsistance interne dynamique, qui se calcule selon la formule :

    Si la tension inverse redescend en dessous de la valeur Zener, la diode se bloque nouveau.

    Les diodes Zener sont fabriques pour tre utilises en inverse dans la zone davalanche. Dans ce cas, la tension ses bornes reste gale UZ quel que soit le courant IZ qui la traverse. On lappelle diode stabilisatrice de tension. Evidemment, une Zener polarise en direct fonctionne comme une diode normale.

    b. Principales caractristiques des diodes Zener Nous pouvons reprer le fonctionnement de la diode Zener, avec ses limites, sur la courbe caractristique "IZ = f (UZ)" de la diode Zener. Nous avons vu que la valeur Zener nominale UZNOM est donne pour un courant Zener nominal IZNOM. La diode Zener prsente une valeur de rsistance interne dynamique trs faible dans la zone de fonctionnement. En d'autres termes, pour une petite variation de la tension UZ (=UZ,) la diode modifie fortement le courant IZ (= IZ) :

    A K

    E R UZ IZ

  • Electronique Fondamentale Chapitre III

    Dr. BENSAID Dpartement de Gnie lectrique Universit de BOUIRA 36

    Enfin, en connaissant la puissance maximale que peut dissiper la diode, nous pouvons calculer le courant Zener maximal qui peut traverser la diode. De la puissance maximale PZMAX. Nous tirons le courant Zener maximum IZMAX.

    De plus, il est possible de dterminer, comme pour les diodes conventionnelles, une valeur de rsistance interne de la diode, soit de manire statique RIZ_STAT, soit de manire dynamique RIZ_DYN, en fonction des besoins. Ce dernier point nous amne considrer la diode Zener selon la mme technique d'approximation utilise pour les diodes conventionnelles :

    c. Principales utilisations : (stabilisation de la tension)

    Stabilisation de la tension laide dune diode Zener Les diodes Zener sont utilises pour leur proprit de maintenir une tension constante leurs bornes : Les circuits de stabilisation de tension ou "rgulateur Zener" ou les circuits gnrateurs de tension de rfrence. Le schma est toujours semblable et consiste relier une rsistance en srie avec la Zener et de se connecter aux bornes de celle-ci pour obtenir une tension fixe.

    E Ru UZ

    I

    IZ

    IRu R

    Diode idale.

  • Electronique Fondamentale Chapitre III

    Dr. BENSAID Dpartement de Gnie lectrique Universit de BOUIRA 37

    Avec le montage de la figure ci-dessus, on va essayer de stabiliser la tension aux bornes la charge RU laide dune diode Zener (VZ = 6V). Pour les faibles valeurs de E, la diode Zener reste bloque, la tension URU aux bornes de RU sera calcule comme si la diode Zener tait absente. Ds que URU dpasse VZ, la diode Zener conduit et URU reste gale VZ.

    Pour : Vz < 6V Iz = 0

    ERRu

    RuU Ru += et

    RRuEII Ru +

    ==

    pour Vz 6V URu=Vz = 6V

    RuVI zRu = R

    VEI z= et Iz = I-IRu

    Tant que la diode Zener est bloque, la tension URu aux bornes de la charge nest pas stabilise. Tout se passe comme si la diode Zener ntait pas l. Ds que la diode Zener conduit, la tension aux bornes de la charge est stabilise la valeur VZ, le courant dans la charge Ru reste gal VZ/Ru , et cest le courant IZ qui circule dans la diode Zener qui varie pour compenser les variations de I. III.3.2. La photodiode

    Constitution et caractristiques de fonctionnement Sous polarisation inverse, le courant circulant dans une jonction PN classique est trs faible. Dans ce cas en effet, les porteurs lectriques, lectrons et trous, attirs respectivement par llectrode de polarit contraire sloignent de la jonction. Il se cr ainsi une zone isolante vide de porteur appele zone de dpltion.

    La photodiode est conue pour permettre la rception du flux lumineux. Lorsque la longueur donde du rayonnement est infrieure au seuil photolectrique s du matriau constituant la jonction, il se forme des paires lectrons trous dans la zone de dpltion qui contribuent la cration dun courant inverse. Ainsi le courant circulant dans une photodiode polarise en inverse est proportionnel au flux lumineux reu ; il est pratiquement indpendant de la tension de polarisation. On amliore les performances dune photodiode en insrant une couche de semi-conducteur intrinsque (non dope) entre les couches P et N ; la structure est appele PIN. Les courbes caractristiques dune photodiode en fonction du flux sont reproduites.

    Courbes caractristiques dune photodiode en fonction du flux incident

    Modes dutilisation Nous pouvons considrer deux modes dutilisation selon que lon polarise ou non la photodiode par une tension externe. En mode photoconducteur une source de tension E polarise la photodiode en inverse. Le courant IR proportionnel au flux est converti en tension par la rsistance R. En mode photovoltaque, aucune source externe de polarisation nest utilise. La photodiode fonctionne en convertisseur dnergie. Elle est alors quivalente un gnrateur autonome. On mesure soit la tension en circuit ouvert soit le courant de court circuit.

    Note : le mode photoconducteur tant plus linaire et plus rapide, il est adapt pour raliser la mesure du flux lumineux. Sous polarisation inverse, la photodiode dlivre un courant proportionnel lintensit de la lumire incide