C - LES CARACTERSTQUES DES COMPOSANTS Un composant est caractérisé par sa façon de réagir lorsqu'il est soumis à une tension. Cette façon de réagir correspond à l'intensité de courant qu'il laissera alors passer : à une tension donnée U correspond une intensité de courant précise L'ensemble des couples de valeurs [ U ; ] permet de construire une courbe U fonction de (ou fonction de U) à laquelle on donne le nom de caractéristique du composant considéré. C - - CARACTERSTQUE D'UN CONDUCTEUR OHMQUE On constate que toutes les caractéristiques de conducteurs ohmiques apparaissent comme des droites passant par l'origine. EXEMPLE : On peut voir ici deux courbes tracées à partir d'un tableau de mesures effectuées pour un même conducteur ohmique donné. De cette observation, on conclut que pour ce composant, il y a une relation simple de proportionnalité entre tension à ses bornes et intensité de courant qui le traverse. Ce qui permet d'écrire : soit U = R R étant le coefficient de proportionnalité dans le cas de la courbe U (V) 3 2,5 2,5,5 2 3 4 5 6 7 8 9 (ma) Courbe : U = 36 R = 36 Ω
soit = G U G étant le coefficient de proportionnalité dans le cas de la courbe 2 (ma) 9 8 7 6 5 4 3 2,5,5 2 2,5 3 3,5 U (V) Courbe 2 : =,28 U G =,28 S On vérifie évidemment que : G = U = R ou R = U = G On appelle résistance du conducteur ohmique le coefficient R, et on emploie souvent le terme de "résistance" pour nommer ce composant. On appelle conductance du conducteur ohmique le coefficient G inverse de la résistance. Cette relation de proportionnalité U = R ayant été mise en évidence au XX ième par le physicien allemand OHM, elle est connue sous le nom de LO d'ohm. R = U s'exprime donc en V.A -. On a donné le nom d'ohm (Ω) à cette unité. V.A - = Ω G = U = R s'exprime en Ω -. On a donné le nom de siemens (S) à cette unité. 2 Ω - = S
C - - CARACTERSTQUE D'UNE PLE OU D'UN ACCU Les caractéristiques des piles sont aussi linéaires mais se présentent sous la forme de droites ne passant pas par l'origine, comme dans l'exemple ci-dessous. U (V) 2,,2 (A) L'équation qui correspond à ce type de droite est de forme générale : U = - a b () L'exemple pris ici donne : U = -,5 2 La constante b (ici égale à 2) correspond à la tension aux bornes de la pile quand elle ne débite pas de courant ( = ). C'est cette tension que l'on mesure avec un voltmètre branché seul aux bornes de la pile. On la nomme pour cette raison «tension à vide» On nomme aussi cette tension à vide force électromotrice de la pile (f.e.m.), notée E. Comme toute tension, elle se mesure en volts. L'équation générale () s'écrit alors : U = - a E (2) A partir de cette seconde équation (2), la constante a (ici égale à,5) s'exprime en fonction des autres paramètres de l'équation : E U a =. Elle a donc la dimension d'une résistance puisqu'elle s'exprime en volts par ampère, donc en ohms. On l'appelle la résistance interne de la pile, notée r. On convient d'écrire l'équation générale des caractéristiques des piles ou des accus sous la forme : U = E - r 3
C - - CARACTERSTQUES D'AUTRES COMPOSANTS D'autres composants ont des caractéristiques moins simples comme le montrent les exemples suivants. Le plus souvent, on ne peut donc pas avoir pour ces caractéristiques des équations qui traduisent l'ensemble de leur allure comme on peut le faire pour celles des conducteurs ohmiques ou des piles. (A) (ma) 32 28 24 2 6 2 8 4,8,6,4,2,8,6,4,2,,2,3,4,5,6 U (V) CARACTERSTQUE D'UNE DODE AU SLCUM 2 3 4 5 6 U (V) CARACTERSTQUE D'UN ELECTROLYSEUR U (V) 4 3 2 5 5 2 (ma) CARACTERSTQUE D'UNE LAMPE A NCANDESCENCE 4
C - V - COMPOSANT SYMETRQUE OU ASYMETRQUE On dit qu'un composant est symétrique si sa caractéristique est identique quel que soit le sens de passage du courant, et asymétrique dans le cas contraire. Exemples de composant symétrique : un conducteur ohmique, une lampe sont des composants parfaitement symétriques. Pour ces composants là, on ne convient pas de définir un sens positif de circulation du courant et la tension U représentée correspond à la tension positive telle que définie précédemment (sens inverse du courant). U > A l'inverse les diodes, les accus et piles sont des composants asymétriques. l faudra donc connaître leur double comportement en traçant une caractéristique complète. Pour les diodes on définit le sens passant ou direct comme sens de circulation positif. A ce sens de courant et donc associé un sens positif de tension qui correspond dans ce cas à la tension positive effective. PASSANT U > Cependant pour les diodes au silicium ou au germanium qui ne laissent pas du tout passer le courant en sens inverse, on se contente aussi de la caractéristique en sens passant (exemple page 4). Exemples de composant asymétrique et de nécessité de caractéristique complète : Cas de la diode zener Le premier cadran correspond au sens passant (ma) 8 Courant en sens direct U > En sens inverse de passage du courant, la ten - sion positive change de sens. Dans le troisième cadran, les valeurs négatives correspondent alors à des orientations en sens négatif. - U > - On appelle tension zener U Z, la tension seuil en sens inverse. U Z 6 4 2-4 -3-2 - 2 U (V) -2 Courant en sens inverse -4-6 -8 - CARACTERSTQUE D'UNE DODE ZENER 5
Cas de l'accu La dissymétrie de la caractéristique de l'accu est de nature différente. Le sens de circulation du courant pris comme sens positif correspond à son usage en tant que générateur (courant sortant pôle P positif). Alors que le passage du courant en sens inverse correspond à la mise en charge de l'accu. Dans cette situation, il ne fournit plus d'énergie électrique mais en reçoit, d'où le nom de récepteur qu'il prend alors. Quel que soit le sens du courant, c'est toujours la tension U PN qui est positive pour le circuit. - N P N P U PN > U PN > U E L'ACCU EST GENERATEUR : L FOURNT DE L'ENERGE L'ACCU EST RECEPTEUR : L REÇOT DE L'ENERGE O U PN = E r U PN = E - r Selon que l'accu sera générateur ou récepteur, l'équation de sa caractéristique sera différente car l'aspect négatif du courant n'a pas de sens physique mais correspond uniquement à un choix arbitraire pour représenter la caractéristique complète en un seul graphique. Donc, dans les deux équations exprimant la valeur de U PN, est une grandeur positive. Dans l'équation correspondant au générateur, E est dite force électromotrice. Dans l'équation correspondant au récepteur, E est dite force contre électromotrice. 6
C - V - LNEARSATON D'UNE CARACTERSTQUE Dans certains cas, les caractéristiques non linéaires sont telles, qu'une partie de ces courbes peuvent se confondre avec une portion de droite. C'est le cas, par exemple, d'une diode au silicium. (ma) 32 28 24 2 6 2 8 4 U s,,2,3,4,5,6 U (V) Si, comme ici, ce chevauchement entre la caractéristique réelle et la droite correspond à une zone d'usage fréquent du composant, il est donc intéressant de déterminer l'équation de cette droite pour la prendre comme équation de la caractéristique. Cet exemple fait apparaître une tension U S, endroit où la droite de linéarisation coupe l'axe des tensions, qui est appelée tension seuil de cette diode, c'est à dire la tension à partir de laquelle on peut sans grande erreur confondre la caractéristique avec cette droite. Dans la zone d'utilisation U > U S, on peut donc considérer que la caractéristique de la diode est une droite d'équation : = 2U -. Souvent, on ira même plus loin, en écrivant alors que : Si U < U S le courant est négligeable, donc =, si U > U S le courant est défini à partir de l'équation de la droite. 7
Ce qui définit une caractéristique simplifiée de cette diode dont la représentation graphique sera : (ma) 3 2,2,4,6 U (V) A laquelle correspondent les équations : si U <,5 V = si U >,5 V = 2U - Un autre exemple de linéarisation est le cas des caractéristiques des piles. Précédemment, la présentation qui a été faite de la caractéristique d'une pile comme linéaire ne se vérifie, en réalité, que si la pile ne débite pas un courant trop fort. En effet, dès que l'intensité débitée passe un certain seuil, très vite la tension chute et de façon non linéaire. E U ZONE D'UTLSATON RECOMMANDEE ZONE D'UTLSATON A EVTER O CARACTERSTQUE REELLE Mais faire débiter à la pile un courant élevé, c'est la détériorer, donc on ne l'utilise pas dans la zone non linéaire. 8 Vous pouvez faire les applications directes n 6 à 9 que vous trouverez dans le document «- Les exercices et les corrigés» à la l rubrique : Ex-E--C