Introduction à l’électronique C. Koeniguer, P. Lecoeur Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007 Objectifs : Donner une vision des fonctions simples de l’électronique : L’électronique permet de transformer des signaux acquisition d’un signal traitement électronique des signaux (filtrage, amplification)… Il faut connaître et savoir mettre en œuvre les composants discrets usuels, connaître les outils relatifs au traitement du signal Présenter l’interaction de l’électronique avec les autres domaines utiles à l’ingénieur Optoélectronique Informatique Matériaux … Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007 Exemple : De la prise de vue photographique (numérique) au traitement informatique à distance Acquisition du signal par un capteur Traitement électronique du signal Numérisation et traitement numérique transmission Utilisation du signal Reconnaissance du signal Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007 Capteurs Extraction du signal, filtrage, numérisation Ampli CAN Adaptation Matériaux Matériaux Optoélectronique Electronique Transmission Ondes radio Micro-ondes Matériaux Electronique Optoélectronique Fils Fibres optiques Restitution du signal Traitement du signal Matériaux Electronique Stockage TNS Matériaux Adaptation Remise en forme Filtrage Ampli Informatique Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007 Cadre du cours Circuits électroniques Electronique analogique : Traitement de signaux à valeurs continues Ex : acquisition des signaux (capteurs), amplification, conversion numérique/analogique et analogique numérique, filtrage, génération de signaux … Electronique numérique: Traitement de signaux binaires Ex : traitements logiques des signaux, télécommunications… Composants discrets (capteurs, montages à AO …) Microélectronique (composants intégrés) Nanotechnologies mais c’est aussi la conversion d’énergie : électronique de puissance (moteurs électriques, onduleurs, voiture hybride…) Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007 Plan du cours Electrocinétique Diode Quadripôles et filtrage Amplificateur opérationnel Simulation sous PSPICE Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

- Partie I - Rappels d’électrocinétique Définition d’un dipôle Lois de l’électrocinétique Les différents régimes d’étude Dipôles passifs usuels Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007 I. Définition du dipôle Le dipôle est un élément électrique, présentant deux bornes soumis à une tension u(t), parcouru par un courant i(t). u(t) = Va-Vb Va Vb i(t) Va : potentiel de la borne d’entrée Vb : potentiel de la borne de sortie u(t) = Va-Vb : différence de potentiel ou tension i(t) : courant traversant le dipôle (c’est une grandeur algébrique) Le courant électrique : c’est la quantité de charge qui traverse le dispositif par unité de temps i(t) = dq/dt (par définition : 1 ampère = 1 Coulomb / seconde) Types de dipôles : - les dipôles passifs (ampoules, résistances, capacités…) ne peuvent pas fournir de puissance moyenne - les dipôles actifs (piles, batteries…) peuvent fournir une puissance moyenne Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

Dipôles passifs - dipôles actifs Dipôle actif ou générateur : fourni de l’énergie à un circuit Le rôle du générateur dans un circuit électrique est de mettre en mouvement les électrons qui sont présents dans ses composants (fil, ampoule, résistance, etc.) en y introduisant une différence de potentiel. - Générateur de tension parfait : source de tension parfaite Un générateur de tension est capable de maintenir une tension constante entre ses bornes U U = cst + - i u - Générateur de courant parfait : source de courant parfaite Un générateur de courant est capable de soutenir un courant dans un circuit I u i Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

Dipôles passifs - dipôles actifs Dipôle passif ou récepteur : reçoit et consomme de l’énergie Le courant est une valeur algébrique La puissance reçue exprimée en Watt (W) est donnée par : p(t) = u(t) . i(t) puissance instantanée puissance moyenne pour un signal périodique u(t) = Va-Vb Va Vb i(t) P > 0 Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007 Caractéristique I(V) Les grandeurs u(t) et i(t) ne sont pas indépendantes. Modifier la valeur de u(t) aux bornes du dipôle change la valeur du courant i(t) Cas linéaire : la caractéristique du dipôle est linéaire Dans ce cas la loi d’Ohm relie u(t) et i(t) par : u(t) = R i(t) Cas non linéaire : la caractéristique du dipôle est non linéaire u(t) i(t) (Voir exercice 1) u(t) i(t) (Voir exercice 2) Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

Importance de la caractéristique I(V) du dipôle Montage de mesure : U varie A U I V I V Pmax Puissance maximale admissible : hyperbole : Pmax = U I = cte Au delà, destruction du composant Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007 Droite de charge du générateur et point de fonctionnement d’un dipôle (1/2) Comment connaître la tension aux bornes d’un dipôle et le courant qui le traverse lorsqu’il est branché aux bornes d’un générateur ? Graphiquement cela se fait en trois étapes : Etape 1- Tracer la droite de charge du générateur de tension réel : u r U0 i Icc=U0/r A B r = 10 W La droite de charge d’un générateur est la caractéristique I(V) du générateur - deux points caractéristiques : en A : c’est le courant de court circuit : Icc= U0/r (éviter de trop tester ce point !) en B : c’est la tension à vide mesurée circuit ouvert donc lorsque i = 0 Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007 Droite de charge du générateur et point de fonctionnement d’un dipôle (2/2) Etape 2- Placer la caractéristique I(V) du dipôle sur le même graphe u r U0 i Icc=U0/r A B dipôle P Caractéristique I(V) du dipôle Droite de charge du générateur Etape 3 – L’intersection entre les deux courbes donne le point de fonctionnement : P (Voir exercice 2) Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

II. Lois de l’électrocinétique : Loi des mailles – loi des noeuds Un circuit électrique est constitué, d’un ou plusieurs générateurs, d’un ou plusieurs dipôles, organisés en mailles et nœuds. U R1 R2 R3 N i1 i3 i2 M1 M2 u1 u2 u3 GND Loi des mailles : la sommes des tensions sur une boucle fermée d’un circuit est nulle Cas de l’exemple : sur M1 on a : u = u1+u2 sur M2 on a : u2 = u3 Loi des noeuds : la somme des courants entrant et sortant d’un nœud du circuit est nulle Cas de l’exemple : en N on a : i1 = i2 + i3 Remarque : Les potentiels sont toujours mesurés par rapport à un potentiel de référence noté GND en analogique (Voir exercice 3) Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

Circuit électrique : théorème de Thévenin Tout circuit linéaire (tous les composants sont linéaires) peut être modélisé par un générateur de tension en série avec une résistance : Rth i i Circuit linéaire u u=Eth-Rth i Eth : tension à vide : résistance équivalente lorsqu’on éteint les sources indépendantes (non commandées) (Voir exercices 4 et 5) Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

Circuit électrique : théorème de Millman Soit le circuit suivant : Alors : E1 R1 R2 R3 Rn E2 E3 En A Attention : si Ei = 0, il ne faut pas oublier le 1/Ri correspondant au dénominateur Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

III. Les différents régimes d’étude Types de mesures effectuées Mesures temporelles On étudie l’évolution du signal en fonction du temps On distingue : le régime transitoire : évolution de la tension et du courant suite à une discontinuité importante du signal le régime établi : l’évolution du signal est périodique Mesures fréquentielles On étudie en fonction de la fréquence la réponse du montage (non traité dans cette partie) Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

Types de signaux utilisés + Signaux continus : DC (=) Utilité : apporter de l’énergie ou de se placer dans des conditions favorables Les signaux alternatifs : AC (~) Utilité : transport d’information (excepté la distribution d’électricité) E : amplitude du signal : pulsation en rad/s F : phase du signal à l’origine des temps T : période du signal (s) t e(t) E -E amplitude T Cas particulier des signaux sinusoïdaux : e(t) = E sin(wt + F) (cas de la figure) (Exercices 7, 8) Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

Importance du régime sinusoïdal Justification de l’importance des signaux sinusoïdaux (régime harmonique) : Signaux simples à étudier (dérivée, intégration) et correspondant à une seule fréquence Tout signal temporel se décompose en une somme de signaux sinusoïdaux (série de Fourier ou transformée de Fourier) Rappel sur la notation complexe : U(t)=U cos(wt+) Dérivation jw Intégration (1/jw) Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

IV. Dipôles usuels. (régime temporel) A B u(t) i(t) Résistance pure : étude temporelle : u(t) = R i(t) Inductance pure : étude temporelle : u(t) = Ldi(t)/dt Capacité (Réactance pure) : étude temporelle : q(t) = C u(t) ( i(t) = dq(t)/dt donc i(t) = C du(t)/dt ) Remarques : * l’inductance, qui n’est autre qu’un fil enroulé, possède une faible résistance interne que l’on néglige en général * la capacité possède une résistance interne que l’on néglige u(t) i(t) A B u(t) i(t) Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

Dipôles usuels (régime harmonique) Résistance pure : u = R i Inductance pure : u = j L w i impédance : Z= j L w Capacité : impédance : Z=1/jCw A B u(t) i(t) u(t) i(t) A B u(t) i(t) Les théorèmes généraux (superposition, Thévenin, Millman) restent valable en régime harmonique en raisonnant sur les impédances Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

Association de dipôles Résistances en parallèle Résistances en série R1 R2 R1 R2 A B Req=R1+R2 1/Req=1/R1+1/R2 Capacités en parallèle Capacités en série C1 C1 C2 A B C2 Ceq=C1+C2 1/Ceq=1/C1+1/C2 Inductances en parallèle Inductances en série A B L1 L2 A B L1 L2 1/Leq=1/L1+1/L2 Leq=L1+L2 (Exercices 6) Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007