Les composants électroniques de commutation

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1 Les composans élecronques de commuaon 2 ème année opon élecronque année 00/01

2 Chapre I : Inroducon Chapre I INTRODUCTION Sommare 1 GNRALITS STRUCTURS DS MONTAGS A COMMUTATION Monage ulsan un nerrupeur en commuaon Monage ulsan une combnason d'nerrupeur Crcus logques CARACTRISTIQUS DS INTRRUPTURS SCHMA QUIVALNT DS COMPOSANTS CIRCUIT RC SOUMIS A UN CRNAU TUD D'UN CAS GNRAL Calcul de la réponse lbre ou de la soluon générale de l'ssm s g () Calcul de la réponse orcée ou de la soluon parculère de l'asm s p () Déermnaon de la soluon générale de l'équa d. (1) Tracé de e() e s() xpresson analyque de emps caracérsques Cours de commuaon verson du 19/01/06 à 13:01 Dder Magnon Page 2/12

3 Chapre I : Inroducon Les composans élecronques de commuaon Chapre I INTRODUCTION 1 Généralés Nous avons à nore dsposon de nombreux composans élecronques qu nous permeen de réalser une nné de monages. Ceux c peuven êre répars selon deux grandes amlles : - les monages à onconnemen lnéare, - les monages à onconnemen Tou Ou Ren (TOR). Les monages à onconnemen lnéare serven en général à ransormer de açon connue des phénomènes physques en sgnaux élecrques. xemples : * la vox d'un chaneur es capée par un mcrophone pus, elle es plus ou mons amplée pour êre resuée par des encenes acousques. * Un hermomère élecronque donne en permanence les varaons de empéraure. Dans ce ype d'applcaon la sore es proporonnelle à l'enrée e de açon grossère elles son relées par un gan. L'normaon es radue en connu, c'es ce que l'on a couume d'appeler l'élecronque analogque. Les monages à onconnemen TOR ulsen des composans qu ne donnen qu'une normaon bnare; vra ou aux. Ils son souven appelés INTRRUPTURS. Aenon: ce qu ne sgne pas oblgaoremen une sore numérque. On souhae que la sore recope au meux l'enrée mas le rappor es consan e peu mporan. La melleure mage que l'on pusse rouver ben qu'elle ne so pas élecronque es le relas. Ic, l'normaon es dscrèe, elle es ssue de la commuaon d'un ou pluseurs composans (généralemen de pussance). Cours de commuaon verson du 19/01/06 à 13:01 Dder Magnon Page 3/12

4 Chapre I : Inroducon xemples : * élecronque de pussance, hacheur, onduleur, redresseur, gradaeur (varaeur de lumère), * élecroechnque, Commande de relas, relas saque, * élecronque able couran, crcus logques, déecon (démodulaon à échanllonnage). Cerans composans son plus dédés à l'un ou l'aure ype de monage, mas dans la plupar des cas, les composans dscres (dode, ranssor, ) peuven êre ulsés en onconnemen lnéare ou en commuaon. Donc de açon analogue à l'élecronque analogque, l es mpéra en commuaon de déermner les caracérsques de onconnemen d'un composan ulsé en nerrupeur. Ils es donc nécessare de are une éude sysémaque pour déermner le dmensonnemen d'un composan e de son radaeur en oncon des empéemens générés par la commuaon. 1.1 STRUCTURS DS MONTAGS A COMMUTATION Monage ulsan un nerrupeur en commuaon On me en relaon une source (enson ou couran) e une charge à l'ade d'un nerrupeur. Le schéma es alors le suvan : Inerrupeur Source Charge Fgure 1 : Monage à un seul nerrupeur Cours de commuaon verson du 19/01/06 à 13:01 Dder Magnon Page 4/12

5 Chapre I : Inroducon Monage ulsan une combnason d'nerrupeur On me en relaon une source (enson ou couran) e une charge à l'ade d'une combnason d'nerrupeurs. Le monage le plus connu es le pon en H (dû à sa srucure) don la représenaon es la suvane: Q1 Q3 V Charge Q2 Q4 Fgure 2 : Srucure ou pon en H. Supposons que la charge so un moeur à couran connu. Deux onconnemens son possbles. So les nerrupeurs ormen les couples Q1, Q4 e Q3,Q2. S le couple Q1,Q4 es ermé, Q3,Q2 es ouver e la charge vo la enson V. S le couple Q3,Q2 es ermé, Q1,Q4 es ouver e la charge vo la enson -V. La enson aux bornes de la charge peu êre modulée par ouverure e ermeure successves de l'un ou des deux nerrupeurs ermés. Au repos Q2 e Q4 son ermés. So on ouvre Q2 e l'on erme Q1 la charge vo V, so on ouvre Q4 e on erme Q3, la charge vo V. Mas la plupar du emps on erme par mpulsons Q1 (respecvemen Q3) e évdemmen on ouvre par mpulsons complémenares Q2 (respecvemen Q4), le ranssor Q4 (respecvemen Q2) rese ermé. Ans on réalse une modulaon de 0 à V (respecvemen de 0 à -V ) au pon chaud de la charge. So les nerrupeurs ormen les couples Q1,Q2 e Q3,Q4. Dans ous les cas la charge peu recevor une enson don la valeur moyenne es varable e don la polaré peu êre nversée. Cours de commuaon verson du 19/01/06 à 13:01 Dder Magnon Page 5/12

6 Chapre I : Inroducon Remarque 1 : Quand le moeur es en roaon, on peu le rener rapdemen en ouvran les nerrupeurs Q1 e Q3 e en erman Q2 e Q4. Remarque 2 : On perço aclemen que ce asuceux monage demande une geson rgoureuse des nsans de commuaon de chaque nerrupeur. n ee, les empéemens de Q1 e Q2 par exemple peuven êre aals aux composans. Les consruceurs (Lnear echnologes, Toshba, ) nous proposen des crcus spécaux appelés Drvers pour dempon ou pon en H. Ce ype de pon es rès souven ploé par une Modulaon en Largeur d'impulson (MLI) don l'équvalen anglo-saxon es : Pulse Wdh Modulaon (PWM). Dans la plupar des cas, les srucures peuven se ramener, pour une plage de emps donné, à un crcu à un seul nerrupeur. L'usage des héorèmes de Thévenn e de Noron aclera ben souven l'éude Crcus logques Avec ces crcus l'ulsaeur n'es pas maîre des commuaons. Par conséquen, cee éude es ae vue de l'exéreur en prenan en compe les normaons dsponbles sur les daa shee élaborés par les consruceurs. 1.2 CARACTRISTIQUS DS INTRRUPTURS L'nerrupeur déal se erme e s'ouvre nsananémen. Lorsqu'l es ermé, la enson à ses bornes es nulle (R on nulle). Lorsqu'l es ouver, l n'y a aucun couran qu le raverse (R o nne). L'nerrupeur réel es dén par : un emps de ermeure on, un emps d'ouverure o, une enson de déche à la ermeure, V on 0 (bpolare), R on 0 (MOS), Cours de commuaon verson du 19/01/06 à 13:01 Dder Magnon Page 6/12

7 Chapre I : Inroducon un couran de ue à l'ouverure, I ue 0 (bpolare), R o (MOS). Ces paramères on des valeurs qu dépenden des maéraux ulsés (sem-conduceurs). n a, ls radusen des réssances, des condensaeurs e des nducances parases. L'éude des commuaons passe oblgaoremen par la connassance d'un schéma équvalen du composan. Ce derner perme d'éablr les ormes d'ondes (dépendan des caracérsques nrnsèques de l'nerrupeur e du crcu exéreur) présenes aux bornes du composan. La connassance analyque de ces sgnaux perme de calculer les emps de commuaon e les peres par commuaon. 1.3 SCHMA QUIVALNT DS COMPOSANTS Tous les composans élecronques de commuaon son abrqués à parr de semconduceurs qu apparennen au groupe IV de la classcaon pérodque de Mendéléev (chaque aome possède quare élecrons de valence). Ils possèden une ou pluseurs joncons PN qu admeen un champ élecrque qu'elles soen bloquées, passanes ou non relées à un crcu exéreur. P p barrère de poenel e N P p e N P p e N a) b) c) Fgure 3 : champ élecrque d'une joncon PN, a) lbre, b) bloquée e c) passane. Le champ élecrque a qu'à chaque exrémés de la joncon PN nous avons une concenraon de charges de sgne opposé. Ces charges "rées" e dsanes son répares de açon analogue à ce que l'on rouve dans un condensaeur. Par conséquen une joncon PN présene oujours un ee capac. Cours de commuaon verson du 19/01/06 à 13:01 Dder Magnon Page 7/12

8 Chapre I : Inroducon Lorsque la joncon es passane, l exse un couran qu dépend du champ élecrque mas auss de la srucure crsallne du semconduceur. n ee, la moblé des charges (hermque ou élecrque) ben que rès grande n'es pas nne. Auremen d, les élecrons de la bande de conducon son accélérés sous l'acon du champ élecrque applqué e von se heurer aux aomes de la srucure crsallne du composan, ce qu ralen peu ou prou leur vesse. Tou se passe comme s le barreau du semconduceur présena une réssance. On parle de réssance sére du composan. Ces joncons pour êre ulsables doven êre relés aux paes du boîer chos. Pluseurs echnques exses, la plus courane consse à reler la puce aux paes par l'nermédare de ls d'alumnum 1 ou d'or 2. Or ou l possède un ee nduc (1µH/m dans l ar) par conséquen, un composan en commuaon peu présener égalemen un ee nduc. Donc on pourra oujours, même pour des composans mulcouches, ramener le composan en commuaon à un crcu relavemen smple composé essenellemen de condensaeurs e de réssances, vore d'nducances. 2 Crcu RC soums à un CRNAU Consdérons le crcu suvan : K () R F e() C s() or Fgure 4 : ude d'un crcu RC soums à une excaon en créneau c () dq()/d; q()cv c (); c() cdv c ()/d 1 Wedge bondng, ulrason à empéraure ambane (c besson p 70). 2 Ball bondng, ulrason enre 150 e 180 C (c besson p 70). Cours de commuaon verson du 19/01/06 à 13:01 Dder Magnon Page 8/12

9 Chapre I : Inroducon e d'où S() Vc() e() R() S() e() RcdVc()/d Vc() (1) C'es une équaon dérenelle du 1 er ordre à coecens consans. 2.1 TUD D'UN CAS GNRAL So un créneau quelconque susammen long devan le emps de commuaon du composan de elle sore qu'l so vu pour ce nsan précs comme un échelon. Alors nous le dénssons comme su : e() Fgure 5 : chelon applqué au crcu RC Que deven la sore s()? Pour le savor, l su de résoudre l'équaon dérenelle (1). Dans un premer emps résolvons cee équaon de açon classque en gnoran les ransormées de LAPLAC Calcul de la réponse lbre ou de la soluon générale de l'ssm s g (). Cee soluon dépend des condons nales. L'équaon (1) deven : dsg ( ) RC sg ( ) 0 d posons τ RC dsg ( ) dsg ( ) 1 τ sg ( ) so encore d d s τ Cours de commuaon verson du 19/01/06 à 13:01 Dder Magnon Page 9/12 g

10 Chapre I : Inroducon nous pouvons applquer sur chaque membre de cee équaon l'opéraeur négrale. ds ( ) 1 d s τ g g cec es équvalen à : ln( s g ) K τ ' So en mulplan cee égalé par la oncon exponenelle on oben : g ' K s ( ) e τ τ e so encore : s ( ) Ke (2) g avec K calculé grâce aux CI Calcul de la réponse orcée ou de la soluon parculère de l'asm s p (). L'équaon (1) es prse dans son négralé, c'es-à-dre : ds p ( ) τ s d p ( ) e( ) Pour 0 e() consane. Par conséquen la soluon S p () es une soluon parculère sasasan l'équaon (1) Déermnaon de la soluon générale de l'équa d. (1). La soluon générale de l'équaon (1) es la somme de la soluon générale s g () e la soluon parculère s p (). τ s ( ) Ke Déermnaon de la consane K A 0 on a : s() s(0) K Cours de commuaon verson du 19/01/06 à 13:01 Dder Magnon Page 10/12

11 Chapre I : Inroducon d'où K D'où τ s ( ) ( ) e (3) S le créneau possède un reard o alors : 0 τ s ( ) ( ) e (3') Tracés de e() e s() s() e() x x Fgure 6 : Tracés de e() e s() xpresson analyque de emps caracérsques Calcul de x ms pour aendre une valeur x comprse enre ], [ s ln ou encore x x x e τ x ( ) ( ) so x τ x τ ln x rappel : -ln(a) ln(1/a) xpresson analyque du emps de réponse r Cours de commuaon verson du 19/01/06 à 13:01 Dder Magnon Page 11/12

12 Chapre I : Inroducon Cours de commuaon verson du 19/01/06 à 13:01 Dder Magnon Page 12/12 r à 10% r e s r τ ) ( 0,9 ) ( d'où r 0,1 ln τ r à 5% r e s r τ ) ( 0,95 ) ( d'où r 0,05 ln τ xpresson analyque du emps de descene d On s'néresse au emps de descene après un ron descendan du créneau d'enrée. Le emps de descene d correspond au emps que me la sore s() du crcu RC pour passer de la valeur à 0. Fgure 7 : Temps de descene d d e s d τ ) ( 0 ) ( d'où d ln τ e() s() d