Fonction commuter en puissance 1

FONCTION « COMMUTER LA PUISSANCE »

I- Approche fonctionnelle Energie (faible) La partie commande (constituée par un microcontrôleur ou des circuits logiques …) ne peut délivrer une tension et un courant suffisant pour piloter directement un moteur électrique ou une lampe. Il est donc obligatoire d’utiliser un pré actionneur qui joue le rôle d’interface de puissance entre la partie commande et la partie opérative. Le pré actionneur pourra être commandé en entrée par un courant ou une tension faible et commutera en sortie une puissance électrique (We) adaptée à la charge. Divers composants ou associations de composants permettent de réaliser une interface de puissance. Par exemple les transistors pour commuter des tensions/courants continus, des thyristors et triacs (pour l’alternatif) , les relais (commute du continu ou de l’alternatif)

Les transistors bipolaires

Le transistor est un composant fondamental de l’électronique moderne. Actuellement ses applications en tant que composant discret touche principalement au domaine de la commutation (en petite ou grande puissance). En tant que composant intégré, il entre dans la constitution de tous les circuits intégrés, quelques soient leurs fonctions. Nous pouvons donc distinguer deux sortes de transistors bipolaires

les transistors ……………………………… les transistors ……………………………….

Elaborer les signaux de commande

Transformer

l’énergie

We Ordre

Fonction commuter en puissance 2

Représentations, loi des nœuds et loi des mailles :

TRANSISTOR DE TYPE NPN TRANSISTOR DE TYPE PNP

SYMBOLES

COURANTS

TENSIONS

Collecteur

Emetteur

Base

Base

Collecteur

Emetteur

Ic

Ib

Ie

Ib

Ic

Ie

.

.

VCB

VBE

VCE

VCE

VBE

VCB

L'effet transistor :

………………………………….. (mini étant appelé le coefficient d’amplification en

courant)

Ordre de grandeur de ou Hfe ou H21 : 30<<300 et voir plus.

D’après la loi des nœuds et de part la grande valeur de on peut en déduire que : ………

Le transistor en commutation :

Le transistor en commutation peut être assimilé à un interrupteur commandé, l'application

d'un courant de base (ib de saturation) provoque la conduction du transistor qui se

comporte alors comme un interrupteur fermé.

Remarque : pour que le transistor soit correctement saturé il faut ………………………

Fonction commuter en puissance 3

Le transistor NPN

Ic

Ib

Ie

Ve

Rb

Rc

Vcc

VBE

Vs

Ve

Vcc

VBE

0.6V

Ic

Vcc/Rc

Vcc

t

t

t

t

Vs

Schémas équivalents d’un transistor (NPN) bloqué ou saturé:

Transistor Bloqué

Transistor saturé

Remarque : pour ce montage, le transistor réalise la fonction logique NON.

Lorsque le transistor est saturé, Vce sat est proche de 0 V ( 0.2v à 1 V)

Vbe sat = 0.6V (tension d’une diode passante).

Ic =

Vbe

Fonction commuter en puissance 4

Le transistor PNP en commutation

Ic

Ib

Ie

Ve

Rb

RcVs

VccVe

VBE

Ic

Vs

t

t

t

tTransistor Transistor

Schémas équivalents d’un transistor (PNP) bloqué ou saturé :

Conclusion:

- le schéma équivalent d’un transistor (NPN ou PNP) bloqué est un interrupteur

ouvert entre son Collecteur et son Emetteur.

- le schéma équivalent d’un transistor (NPN ou PNP) saturé est un interrupteur

fermé entre son Collecteur et son Emetteur.

Fonction commuter en puissance 5

Fonction commuter en puissance 6

Le transistor MOS (commande en tension) Les transistors à effet de champ sont dotés de trois broches appelées : Grille (G), Drain (D) et Source

(S). Ils sont dotés d'un canal N ou P par lequel est assuré le passage du courant entre Drain et Source.

La conduction est commandée par un champ électrique produit par une tension appliquée sur la grille.

On distingue deux types de transistor MOS : Le MOS canal N et le MOS canal P

Principe de fonctionnement en commutation du MOS : on étudie le cas du transistor Mos canal N :

Pour Vgs = 0 , le transistor est bloqué (interrupteur ouvert) et donc Id = 0 Pour Vgs>0 , le transistor est passant (interrupteur fermé) et donc Id > 0 Note : pour un canal P , Le transistor est passant pour Vgs<0 .

Fonction commuter en puissance 7

EXERCICES Exo 1 :

1- Identifier le type de transistor 2- Placer sur le schéma : Vce, Vbe, Ic, Ib, Vf 3- Calculer Rc pour limiter le courant dans la led à 25mA (Ic = 25mA) . Pour cela vous devez au

préalable appliquer la loi des mailles sur la sortie (avec V+, Vf, Vrc et Vcesat) . Sachant que Vrc = Rc*Ic , vous déduisez Rc en fonction de V+, Vf , Ic et Vcesat.

4- Calculer Ib sachant qu’on prendra un coefficient de sursaturation de 5 (appliquez la formule

liant Ic, Ib et , prendre la valeur min de ) 5- En déduire Rb (mais n’oubliez pas d’appliquer la loi des mailles en entrée !)

Exo 2 : On souhaite commander une lampe à partir de la sortie parallèle du PC

1- Placer Vbe, Vce et Ib sur le schéma. 2- Calculer la valeur de Ic 3- En déduire la valeur de Ib en prenant k =5. 4- Calculer Rb 5- Justifier le rôle du transistor sachant que le courant délivré par la sortie du port // ne peut

excéder une quinzaine de milliampère 6- Rajouter la diode de roue libre aux bornes du relais. Le rôle d’une diode de roue libre est de

protéger le transistor contre les courants induits générés par le bobinage du relais lors de la commutation.

On donne : V+ (alim) = 12V Vf = 1,6V (tension aux bornes de la led) Vce sat = 0,3V Vbesat = 0.65V Ve = 5V

80< < 150

On donne : Vcc = 10V R = 100ohms (résistance du relais) Vce sat = 0,2V Vbesat = 0.7V Ve = 5V

100< < 160

Fonction commuter en puissance 8

FONCTION « COMMUTER LA PUISSANCE »

I- Approche fonctionnelle Energie (faible) Energie de puissance (We)

Microcontrôleur, uP Préactionneur Moteur, lampes … circuits logiques… (Transistors, Relais, Thyristor, Triac) La partie commande (constituée par un microcontrôleur ou des circuits logiques …) ne peut délivrer une tension et un courant suffisant pour piloter directement un moteur électrique ou une lampe. Il est donc obligatoire d’utiliser un pré actionneur qui joue le rôle d’interface de puissance entre la partie commande et la partie opérative. Le pré actionneur pourra être commandé en entrée par un courant ou une tension faible et commutera en sortie une puissance électrique (We) adaptée à la charge. Divers composants ou associations de composants permettent de réaliser une interface de puissance. Par exemple les transistors pour commuter des tensions/courants continus, des thyristors et triacs (pour l’alternatif ) , les relais (commute du continu ou de l’alternatif)

Les transistors bipolaires

Le transistor est un composant fondamental de l’électronique moderne. Actuellement ses applications en tant que composant discret touche principalement au domaine de la commutation (en petite ou grande puissance). En tant que composant intégré, il entre dans la constitution de tous les circuits intégrés, quelques soient leurs fonctions. Nous pouvons donc distinguer deux sortes de transistors bipolaires

les transistors PNP, les transistors NPN.

Elaborer les signaux de commande

Commuter la

puissance

Transformer

l’énergie

We Ordre

Fonction commuter en puissance 9

Représentations, loi des nœuds et loi des mailles :

TRANSISTOR DE TYPE NPN TRANSISTOR DE TYPE PNP

SYMBOLES

COURANTS

TENSIONS

Collecteur

Emetteur

Base Base

Collecteur

Emetteur

Ic

Ib

Ie

Ib

Ic

Ie

LOI DES NOEUDS

Ie = Ib + Ic

LOI DES MAILLES

VCE = VCB + VBE

VCB

VBE

VCE VCE

VBE

VCB

L'effet transistor :

Ic = mini Ib ( étant appelé le coefficient d’amplification en courant)

Ordre de grandeur de ou Hfe ou H21 : 30<<300 et voir plus.

d’après la loi des noeuds et de part la grande valeur de on peut en déduire que : Ie # Ic

Le transistor en commutation :

Le transistor en commutation peut être assimilé à un interrupteur commandé, l'application

d'un courant de base (ib de saturation) provoque la conduction du transistor qui se

comporte alors comme un interrupteur fermé.

Remarque : pour que le transistor soit correctement saturé il faut Ibase > Icsat/

Fonction commuter en puissance 10

Le transistor NPN

Ic

Ib

Ie

Ve

Rb

Rc

Vcc

VBE

Vs

Ve

Vcc

VBE

0.6V

Ic

Vcc/Rc

Vcc

t

t

t

t

Transistor bloqué Transistor saturé

Vs

Etat logique "0"

Etat logique "1"

Schémas équivalents d’un transistor (NPN) bloqué ou saturé:

Transistor Bloqué

Vcc

C

E

Vs = Vcc

Transistor saturé

Vcc

C

E

Vs=VCEsat=0V

Remarque : pour ce montage, le transistor réalise la fonction logique NON.

Lorsque le transistor est saturé, Vce sat est proche de 0 V ( 0.2v à 1 V)

Vbe sat = 0.6V (tension d’une diode passante).

Ic = mini *Ib / k ( k coefficient de sursaturation > 1 k =10)

Vbe

Fonction commuter en puissance 11

Le transistor PNP en commutation

Ic

Ib

Ie

Ve

Rb

RcVs

VccVe

VBE

Ic

Vs

t

t

t

tTransistor Transistor

Schémas équivalents d’un transistor (PNP) bloqué ou saturé :

Conclusion:

- le schéma équivalent d’un transistor (NPN ou PNP) bloqué est un interrupteur

ouvert entre son Collecteur et son Emetteur.

- le schéma équivalent d’un transistor (NPN ou PNP) saturé est un interrupteur

fermé entre son Collecteur et son Emetteur.

Fonction commuter en puissance 12

Fonction commuter en puissance 13

Fonction commuter en puissance 14

Le transistor MOS (commande en tension) Les transistors à effet de champ sont dotés de trois broches appelées : Grille (G), Drain (D) et Source

(S). Ils sont dotés d'un canal N ou P par lequel est assuré le passage du courant entre Drain et Source.

La conduction est commandée par un champ électrique produit par une tension appliquée sur la grille.

On distingue deux types de transistor MOS : Le MOS canal N et le MOS canal P

Principe de fonctionnement en commutation du MOS : on étudie le cas du transistor Mos canal N :

Pour Vgs = 0 , le transistor est bloqué (interrupteur ouvert) et donc Id = 0 Pour Vgs>0 , le transistor est passant (interrupteur fermé) et donc Id > 0 Note : pour un canal P , Le transistor est passant pour Vgs<0 .

Fonction commuter en puissance 15

EXERCICES Exo 1 :

6- Identifier le type de transistor 7- Placer sur le schéma : Vce, Vbe, Ic, Ib, Vf 8- Calculer Rc pour limiter le courant dans la led à 25mA (Ic = 25mA) . Pour cela vous devez au

préalable appliquer la loi des mailles sur la sortie (avec V+, Vf, Vrc et Vcesat) . Sachant que Vrc = Rc*Ic , vous déduisez Rc en fonction de V+, Vf , Ic et Vcesat.

9- Calculer Ib sachant qu’on prendra un coefficient de sursaturation de 5 (appliquez la formule

liant Ic, Ib et , prendre la valeur min de ) 10- En déduire Rb (mais n’oubliez pas d’appliquer la loi des mailles en entrée !)

Exo 2 : On souhaite commander une lampe à partir de la sortie parallèle du PC

7- Placer Vbe, Vce et Ib sur le schéma. 8- Calculer la valeur de Ic 9- En déduire la valeur de Ib en prenant k =5. 10- Calculer Rb 11- Justifier le rôle du transistor sachant que le courant délivré par la sortie du port // ne peut

excéder une quinzaine de milliampère 12- Rajouter la diode de roue libre aux bornes du relais. Le rôle d’une diode de roue libre est de

protéger le transistor contre les courants induits générés par le bobinage du relais lors de la commutation.

On donne : V+ (alim) = 12V Vf = 1,6V (tension aux bornes de la led) Vce sat = 0,3V Vbesat = 0.65V Ve = 5V

80< < 150

On donne : Vcc = 10V R = 100ohms (résistance du relais) Vce sat = 0,2V Vbesat = 0.7V Ve = 5V

100< < 160