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1/5 : La DIODE

Test de la diode, le seuil !



Conseil+ sur la jonction pour comprendre l'origine du seuil et le fonctionnement !





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Découverte de la diode unidirectionnelle

diode passante branche +
Ici la diode laisse passer le courant au seuil près. Le sens de I doit être le même que la flèche de la diode...
Diode bloquée branche +
La diode est bloquée car le courant ne peut circuler de la cathode vers l'anodePour qu'elle soit passante, l'anode doit être positive et la cathode négative (légèrement moins positive) !
Diode passante branche -
Peu importe que la diode soit sur le fil positif ou négatif, seul compte le sens du courant : anode vers cathode !
Diode bloquée branche -
La diode est à nouveau bloquée et toute la tension est se retrouve encore à ses bornes !




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Photos de diodes et symbole

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fonction, brochage, symbole
Vue sur la jonction : voir ici le conseil+.
Brochage : de l'anode A vers la cathode K représentée avec la bague symbolisant le . Attention aux diodes 'boulon' elles existent avec les 2 montages !
petites et moyennes diodes
De gauche à droite, 1 A, 0.1 A les 3 dont une passivéeIncorpore un micro-fusible pour ouvrir le circuit quand elle 'grille', 3 A et 8 A pour la dernière qui peut se monter sur dissipateur thermiqueIci un régulateur mais de même boitier TO220 sur 'radiateur' en aluminium
Boitier T0 220 sur dissipateur
.
Diodes de puissance 10 à 50 Ampères
Diodes de puissance de gauche à droite 50 Ampères, 20 et 10 Ampères. Ces diodes prennent la forme d'un boulon pour favoriser le montage sur dissipateur thermique !
Diode de très forte puissance, kA
Diode de diamètre 10 cm, supportant plus de 1 000 Ampères, prévue pour des kA, à monter impérativement serrée sur dissipateurIci montées, diode et thyristor :
Diode et thyristor de haute puissance montées sur dissipateur
!


La diode Zener est abordée dans le cours sur la stabilisation




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Caractéristiques, critères de choix

Courbes d'une diode
U Seuil 0 : tel que mesuré avec le multimètre en position diode (0.4 V à 1 V pour les diodes de puissance).
U Seuil MaxiLa droite en noir n'est pas verticale car toute diode possède une résistance interne. Ainsi son seuil augmente quand l'intensité augmente.
USM U seuil maxi peut valoir jusqu'à plus de 2 ou 3 Volts pour des diodes de puissance !
: juste avant claquage à I maximum !
Le choix d'une diode s'effectue en fonction des besoins principaux :
Id nominalL'intensité nominale qu'elle peut supporter à 100% du temps... à 25°C !
Concrètement, pour les petites diodes sans dissipateur on se maintiendra bien en deçà.
(50% à 80% de In). Pour les diodes prévues pour l'usage d'un dissipateur, cela se calcule, nous le verrons dans ce cours.
en A, UinvLa tension inverse, aussi nommée Vrrm en anglais, est la tension que supporte la jonction en inverse avant claquage et mise en cct ! en Volts, le temps de commutationPour redresser du 50 Hz, ce critère ne compte pas ! Avec un découpage à quelques dizaines de kHz, on commence à en tenir compte !.
Les datasheets permettent aussi de connaitre température maximaleTempérature à partir de laquelle la diode va se mettre en cct définitivement !
Utile pour dimensionner les dissipateurs !
, mais aussi l'intensité maximaleEn redressement, la diode charge un condensateur qui est un vrai cct pour elle ! I maximum ou Ifsm est généralement 2 à 30 fois supérieur à I nominal...
Datasheet diode 1 A et diode 50 A en exemple.




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La LED, 3 LED RVB pour reproduire les couleurs


S'il existe des LED LED : Light Emitting Diode
Diode Electro Luminescente (DEL en français mais peu usité)
Brochage de LED A vers K
Photos de LED et afficheur
pour produire de la lumière 'blanche' plus ou moins froide, à partir généralement de LED bleus modifiées, la méthode utilisée pour produire la majorité des couleurs visibles pour l'additifPar ajout de lumière à partir d'un écran le plus obscur possible pour fournir du noir, alors que le blanc s'obtient par l'addition des 3 lumières de base : RVB Rouge, Vert, Bleu ; RGB (Green).
Notez que vert et bleu créent le Cyan (primaire bleu en soustractif), vert et rouge la jaune (là aussi primaire) et le Magenta primaire avec bleu et rouge
RVB pour les LED
: Rouge Vert Bleu (RVB) comme le démontre cette vidéo. La couleur est liée à la longueur d'ondeLongueur d'onde : Lambda λ = vitesse (≃ 300 000 000 m/s) × période
Donc λ = vitesse (m/s) / fréquence (Hz).
Cela correspond à la distance que parcours l'onde pour rebondir dans le même sens (en effectuant 1 période)

Pour les LED, la recombinaison des électrons avec les trous au niveau de la jonction libère de l'énergie sous la forme de lumière. Longueur d'onde est de 470 nm pour le bleu ce qui correspond à une période d'environ 600 THz (10^12)
.
Pour les imprimantes, peintures et feutres de couleur on travaille en soustractifLe blanc s'obtient cette fois directement puisque l'on part d'une feuille blanche : sans ajout.
Le noir s'obtient par un savant dosage des 3 primaires :
soustractif CMJ
Difficile à doser pour le noir, on ajoute souvent une cartouche de noir CMJN (CMYB)
: Cyan Magenta Jaune CMJCMY Yellow en anglais avec éventuellement le noir ce qui donne respectivement :
CMJN et CMYB (Black)
.




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Seuils en service, mise en parallèle (appairage et résistances d'équilibrage)





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Mise en parallèle, explications...


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2/5 : Transistors bipolaires NPN et PNP

Transistors bipolaire en commutation NPN





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Le transistor bipolaire

Fonctionnement bipolaire NPN PNP
Animation reprenant l'expérience vue en vidéo sur le gain d'un transistor
Bipolaire analogie mécaniqueOn constate que le débit (et donc l'intensité) dans b, la base, contrôle le débit Ic qui est bien supérieur 0 iIb :
Ic ≫ Ib
Le rapport entre Ib et Ic est β (hfe) le gainSur l'animation le gain est dû au rapport du volet mécanique. Dans un transistor, le Gain β aussi nommé hfe vaut de moins de 10 à plus de 10 000 pour les transistors Darlington du transistor.
Ie = Ic + Ib

Ic = Ib × β




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Etude et structure des bipolaires

Un transistor comporte 3 connexions, il s'agit d'un composant unidirectionnel : le courant ne circule que dans 1 seul sens : celui de la flèche sur l'émetteur e. Il existe des transistors NPN et des PNP.
 Lorsque qu'une intensité entre dans la base (NPN) ou en sort (PNP), le courant peut circuler entre collecteur et émetteur, dans le sens de la flèche. L’intensité de ce courant Ic est égale à Ib x βMesure du gain β aussi nommé hfe, de 2 transistors différents avec 2 appareils différents :
Mesure gain hfe de transistors bipolaires
.
L’émetteur est traversé par un courant Ie d'intensité égale à Ic + Ib (Minime devant Ic, Ib sera très souvent négligé).
NPN PNP
NPN test base émetteur collecteur PNP test base émetteur collecteur
NPN : Négatif, Positif, Négatif. Ce composant est constitué de 3 zones (2N et 1P).
On peut utiliser ce schéma pour repérer b c et e
PNP : Positif, Négatif, Positif. Ce composant est constitué de 3 zones (2P et 1N).
On peut utiliser ce schéma pour repérer b c et e




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Transistor Darlington

Transistor Darlington bipolaireCalcul du gain global :
Sachant que Ic1 = Ib1 x β1,
(on admettra que Ie = Ic en négligeant Ib << à Ic)
Et que Ie1 = Ic1 = Ib2,

On peut écrire : Ic2 = Ie1 x β2
et donc : Ic2 = (Ib1 x β1) x β2
Enfin : Ic = Ib x (β1 x β2)
β global = β1 x β2

Le gain du montage est égal au produit du gain de chaque transistor.

L'astuce du montage Darlington repose dans le collecteur commun de 2 transistors dont 1 de puissanceGain faible comme tous les bipolaires de puissance : de 10 à ≃ 30 suivant l'intensité directement relié au boitier via l'émetteur e et le collecteur c.
Le gain global (pouvant dépasser les 10 000) est égal au produit des gains. Une résistance R est ajoutée afin d'accélérer l'ouverture de T2 lors de son blocage (pour accélérer le temps d'ouverture).




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Utilisation en TORTout Ou Rien = 0 ou 1 :
0 = pas de tension ; 1 = +U
(+U quel qu'en soit la valeur : +5 V, +12 V, +1 V...)

Utilisation en suiveur

Bipolaire en tout ou rienLorsque la tension en amont de la résistance est positive (et > au seuil ≃ 0.7 V), Ib devient > à 0 et Ic sera au maximumEn commutation, Ic doit être égal à U / R lampeExemple : si I lampe est égal à 2 A, Ib doit être > à 2 A / β pour être sûr que le transistor soit saturé.
Comme vu en vidéo, on 'sursature' un bipolaire d'un coefficient de 1.1 à 3 et dans tous les cas : 10 au maximum
égal à Ib × β.

Bien qu'il soit possible de 'laisser en l'air' la base d'un bipolaire, mieux vaut la relier au potentiel de l'émetteur afin de garantir une ouverture rapide du circuit et limiter ainsi les pertes Joule.
Voir en fin le conseils+ pertes par conduction et commutations.
Bipolaires en suiveur
Ainsi connecté un transistor est 'suiveur'. La tension de sortie est égale à la tension de base Ub – Useuil (Ube que l'on négligera généralement). Ur = Ub - Ube (≃ 0.7 V). Ic maxi = Ib x β.




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Test des bipolaires

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Test de bipolaires étape 1 sur 8
Un transistor bipolaire doit se comporter comme un isolant entre collecteur et émetteur, qu'il soit NPN ou PNP. Pour l'instant nos transistors semblent corrects, continuons le test pour certifier le bon état de nos transistors.
Test de bipolaires étape 2 sur 8
Il est primordial de vérifier l'absence de circulation de courant électrique dans les 2 sens. Certains transistors comportent une diode de protection en inverse (affichage ≃ 0.6 V), il convient alors d'effectuer tous les tests avant de se prononcer...
Test de bipolaires étape 3 sur 8
Entre base et émetteur le transistor NPN comporte une diode dont l'anode est sur la base. En conséquence, dans notre cas l'afficheur doit indiquer une tension directe (comme pour une diode), 520 mV dans notre exemple.
En PNP, on retrouve un seuil équivalent, 543 mV, mais circulant d'émetteur vers base.
Test de bipolaires étape 4 sur 8
Tests suivants : on onverse pour vérifier qu'on affiche bien le dépassement de calibre !
Test de bipolaires étape 5 sur 8
Entre base et collecteur les transistors NPN et PNP comportent aussi une diode dont l'anode est sur la base (seul le sens de circulation change). La tension directe affichée est souvent légèrement supérieure à celle entre base et collecteur.
Il s'agit là d'un moyen de repérer collecteur et émetteur
Test de bipolaires étape 6 sur 8
Ce dernier test permet d'affirmer le bon état des transistors. Les diodes ne conduisent plus, les afficheurs indiquent un dépassement de calibre.
Test de bipolaires étape 7 sur 8
Ce dernier test consiste à vérifier le gain β ou hfe des transistors. Généralement l'industrie manufacturière obtient de meilleurs résultats avec un type NPN, ici 290 vs 151...
Test de bipolaires étape 8 sur 8
Raccordé à l'envers le gain affiché peut valoir 0 à une valeur très faible, voilà cette fois le meilleur et le plus sûr moyen pour discriminer émetteur et collecteur !

Dans la partie abonnés, une vidéo montrant l'évolution du gain avec la température ainsi que les principaux critères de choix...




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Critères de choix...


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3/5 : Transistors MOSFET et IGBT

Transistor MOSFETMOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor : Transistor à effet de champ à grille/gate isolée oxyde métallique N en commutation


Commande en tension, seuil, limite de conduction et test du transistor MOSFETTest RdsON transistor MOSFET
Gate (grille en français) reliée au + (4.5 V minimum à 18 V maximum), le testeur de continuité doit afficher RdsON (de quelques mΩ à quelques Ω), gate à la source on doit lire un dépassement de calibre : ∞
.




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MOSFET vs bipolaire

Avantages MOSFET
  • Absence de gainPour passer de quelques V et µA à quelques dizaines de Volts et centaines d'Ampères en technologie bipolaire, il fallait 'empiler' des transistors à la queue leu-leu afin d'obtenir le gain final requis. En MOSFET, la tension de commande n'est pas liée à l'intensité de charge.
    Avec un MOSFET on n'utilise généralement qu'un transistor de puissance et un (puissant) driver de commande.
    , simplification du montage
  • Commande en tensionPas de gain, pas de β, simplement une tension de pincement que l'on verra plus loin, pas de calculs complexes
  • Chute de tension en conductionRdsON × Ids facile à calculer
  • Mise en // aisée : pas d'emballement thermiqueLorsque l'on met en // 2 MOSFET ou plus, il convient de les appairer comme pour les diodes.
    Toutefois contrairement aux bipolaires dont le gain augmente quand il chauffe ce qui le rend plus conducteur et augmente son intensité et donc son réchauffement et sa destruction par effet 'boule de neige'. A l'inverse le MOSFET voit son RdsON augmenter quand sa température augmente ce qui limite I équilibrant ainsi la répartition 'automatiquement' !
Inconvénients MOSFET
  • Sensibilité aux surtensions
  • Coût encore élevé en forte puissance
  • Type P là aussi plus rare et de performances inférieures
Différents boîtiers actifs TO3 TOP3 TO220
Les MOSFET partagent les mêmes boîtiers que les bipolaires et les thyristors et triacs que nous verrons plus bas.

Pour les plus fortes puissances, il existe des modules à visser sur dissipateurModule thyristor, transistor....




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Le transistor MOSFET, caractéristiques

MOSFET sensitif commande statique
La gate du transistor MOSFET se pilote en tension, comme vu en vidéo et la zone de transition est comprise entre 3 et 5 Volts.
Avant 3 Volts aucune conduction, après 5 Volts et plus : RdsON.

Plus intéressant encore, la capacité de quelques nF formée entre la grille et la source est capable de stocker la dernière valeur. Ces différentes particularités rendent obligatoire le référencement de la gate en l'absence de commande. Ainsi on ne doit jamais laisser la gate 'en l'air'Gate : porte ou grille en français
MOSFET gate non référencée
!
Structure jonction MOSFET N enrichissement
Le transistor comporte 3 bornes : drain, gate (grille) et source.
Le canal N offre un sens du courant entre drain et source lorsqu’une tension positive Vgs est appliquée entre source et gate ; l'inverse pour le canal P.

Enfin, si la très grande majorité des transistors MOSFET sont des modèles à enrichissement
(Si Vgs = 0, Ids = 0),
il existe des modèles à déplétion ou appauvrissementJonction MOSFET à déplétion
Par défaut, drain et source sont reliés avec pour seule résistance : RdsON.

Dès que la tension Vgs atteint la valeur limite, le transistor à déplétion devient isolant.

Il est l'inverse du modèle à enrichissement !
qui conduisent en l’absence de tension gate et s'ouvrent dès que Vds atteint le valeur critique (mêmes valeurs de Vgs).




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Caractéristiques et critères de choix

Courbe de conduction du transistor MOSFET
La tension de début de conduction, appelée aussi tension de pincement, disponible sur le datasheet IRF540, fourni en exemple, fait chuter la résistance Rds de l'infini à RdsON (voir datasheet IRF540) en toute fin de conduction.

Critères de choix :
Tension Vds maxi, intensité IdsIntensité nominale en conduction, puissance maximum et aussi RdsONPlus cette résistance est faible, plus les pertes par conduction sont faibles (Ids × Rds : voir Conseils+ en fin du cours) et la capacité CissCapacité de gate / grille : voir le datasheet pour ex. de valeur.
Cette capacité est primordiale à prendre en compte pour des applications à haute fréquence : Zc = 1 / (C × ω)
!
Schématisation du MOSFET
Voici schématisé l'équivalent d'un MOSFET : RdsON en rouge qui est la résistance minimaleDans le datasheet vous n'aurez que RdsON maximal garanti, le composant sera forcément meilleur !
Ex dans la vidéo : 25 mΩ au lieu de 44 mΩ
entre drain et source.
En noir la résistance variable en fonction de la tension Vgs aux bornes du C entre gate et source : R noir de ∞ à 0.

Cette capacité intervient aussi notamment à haute fréquence dans le choix du mode de pilotage du transistor (afin de diminuer le temps de transitionEn rouge les pertes lors des transitions, on retrouve la charge décharge RC du condensateur...
Retard en commutation : pertes
Notons que plus la fréquence est basse, en bas, moins ce temps fixe n'a d'importance face au rendement et à l'échauffement global.
dû à la charge du condensateur)
.
N'oubliez pas que ce temps de transition engendre les pertes vues en Conseil+ Pertes en commutation et conduction !




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IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor

Transistor IGBT
Il s'agît d'un hybride, combinant un MOSFET chargé de piloter un bipolaire.
Actuellement l'industrie électronique ne sais concevoir des MOSFET capables de commuter une tension élevée et une intensité élevée simultanément ; autrement dit : opposant une résistance RdsON (très) faible.

Avantages IGBT vs MOSFET :
  • Intensités, tensions et donc puissances disponibles plus élevées (applications variateurs convertisseur de puissance...)
  • Chute de tension passant plus faible que le MOSFET en forte puissance 
Inconvénients :
  • Plus lent : fréquence exploitable < à 1 MHz contre F > à 10 MHz pour le MOSFET
  • Plus onéreux en faible puissance




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Quelques vérités sur les MOSFET et IGBT...


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4/5 : Thyristors et triacs

Vidéo utilisation du thyristor et du triac


Mesure d’intensité de gâchette, sens de fonctionnement et fonction auto-maintient.




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Photos de thyristors et triacs

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Thyristors de différentes puissance
Thyristor 1200 Ampères
Module double thyristor 150 A
Modules thyristors 50 A




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Thyristor : son utilisation

Un thyristor est une diode commandée. Il se comporte comme un isolant s'il n'est pas amorcé et comme une diode le reste du temps. Contrairement au transistor, le courant de 'commande', ici au niveau de la gâchette, n'est nécessaire que lors de l'amorçage. Il se comporte comme un relais avec auto-maintient.

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thyristor utilisation 1 sur 5
Le générateur est mis sous tension, le thyristor n'est pas conducteur alors que son anode est bien reliée au +
(le thyristor est connecté dans le sens passant).
thyristor utilisation 2 sur 5
L'interrupteur est fermé : la gâchette du thyristor est reliée au + via une résistance suffisamment faible pour provoquer une intensité Ig assurant l'amorçage du thyristor :
La lampe s'allume.
thyristor utilisation 3 sur 5
L'interrupteur est à nouveau ouvert (la gâchette n'est plus alimentée) mais la lampe ne s'éteint pas : le thyristor possède une fonction 'auto-maintient'. Une simple impulsion suffit !
thyristor utilisation 4 sur 5
Pour désamorcer le thyristor il est nécessaire de couper l'alimentationIl existe des thyristors acceptant une coupure par forte impulsion inverse, leur usage disparaît par la généralisation des transistors de puissance. Un thyristor se bloque naturellement dès qu'il n'est plus traversé par un courant (après chaque alternace en ~). Le cycle peut alors reprendre comme au début...
thyristor utilisation 5 sur 5
Remarque : Comme une diode, un thyristor ne peut pas conduire en inverse, puisqu'il faut couper la puissance pour le désamorcer. On ne l'utilise que très peu en courant continu.
Il sert surtout à réaliser un redressement contrôlé (sera vu).




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Thyristor : le fonctionnement

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Jonction du thyristor
Un thyristor comporte 3 connexions. Sa structure est PNPN et en fait constituée d'un PNP et un NPN dont les collecteurs et bases sont réciproquement reliées.
Thyristor bloqué
A la mise sous tension il se comporte comme une diode qui resterait bloquée en position ouverte.
Cliquez sur le 3 ci-dessus pour relancer
Fonctionnement interne du thyristor animation
Lorsque l'on application une tension positive entre gâchette et K (cathode ; tension supérieure au seuil diode ≃ 0.7 V) elle fait naître un courant d'intensité suffisante pour amorcerQuelques mA à quelques A pour les plus puissants thyristorsThyristors de différentes puissance
Exemple de thyristors
.
Lorsque Ig est suffisant, la base du PNP qui est reliée au collecteur du NPN, passe au potentiel de la cathode du thyristor. Si l'anode A, reliée à l'émetteur du PNP, est à un potentiel supérieur (d'au minimum 2 Volts : 2 seuils + pertes) à celui de sa cathode K, le PNP devient conducteur à son tour ; alimentant ainsi la base du NPN. Tout maintient de Ig devient alors inutile ! Auto-maintient : l'impulsion d'amorçage suffit.
Thyristor passant
Seul l'arrêt de IA stoppe cette conductionCertains thyristors acceptaient d'être ouverts sous tension par une 'violente' impulsion inverse, la généralisation des transistors de puissance les rend obsolètes.




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Le triac : étude complète

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Jonction et brochage triac
Un triac est composé de 2 thyristors placés tête-bêche afin d'être bidirectionnel, 100% utilisable en alternatif.
On l'appelle aussi relais statiqueIl se comporte comme un relais mécanique mais sans mouvement : statique
Relais statique à triac
Là aussi un isolement galvanique est obtenu, via une LED requérant donc bien moins de puissance pour commuter qu'une bobine (de relais électromagnétique)
et il est la base des gradateursLes variateurs de lumière, de vitesse pour les moteurs universels de perceuses jusqu'au démarreurs basiques de moteurs asynchrones dans quelques cas !.
Triac usage 1 sur 8
Le générateur est mis sous tension, le triac n'est pas conducteur : il reste bloqué !
Triac usage 2 sur 8
L'interrupteur est fermé, la gâchette du triac est reliée au + via une résistance provoquant une intensité de gâchette Ig suffisanteLà aussi de quelques mA à quelques Ampères comme les thyristors. Cela provoque l'amorçage du triac :
La lampe s'allume.
Triac usage 3 sur 8
L'interrupteur est ouvert, il n'y a plus de courant de gâchette. Mais la lampe ne s'éteint pas. Le triac est amorcé et le reste, comme pour le thyristor la fonction auto-maintient est assurée ! Pour désamorcer le triac il est nécessaire là aussi de couper l'alimentation. Un triac se bloque naturellement dès qu'il n'est plus traversé par un courant.
Utilisé en alternatif, un triac se bloque à chaque passage par 0V (après chaque alternance), 100 fois par seconde en 50Hz.
Triac usage 4 sur 8
En inverse, il ne conduit pas (image du haut) tant que la gâchette n'est pas amorcée (image du bas) !
Triac usage 5 sur 8
Triac usage 6 sur 8
Là encore l'auto-maintient est assuré et seule l'extinction du courant principal entre A1 et A2 stoppera sa conduction.
Triac usage 7 sur 8
Utilisation en alternatif : un triac est capable d'amorcer quelles que soient les polarités de l'intensité A1 A2 (qui le traverse) et de Ig (sa gâchette).
Avec néanmoins 2 cas préférables...
Triac usage 8 sur 8
Voici les 4 quadrants d’amorçage du triac. A gauche les 2 vus a privilégier. A droite, le triac amorce aussi mais pour des valeurs Ig supérieures (jusqu'à 5 fois).
A quadrants du triac




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Critères de choix

Commande par transformateur d'isolement
Commande par transformateur d'isolement d'un thyristor, le transformateur est miniature
Opto-triac photo et symbole
Opto-triac tel que disponible sur des sorties d'automates programmables...


Hormis bien évidemment la bidirectionnalité du triac, thyristors et triacs ont des critères de choix similaires, leur choix s'effectue en fonction des besoins principaux :
Id nominalL'intensité nominale qu'ils peuvent supporter à 100% du temps... à 25°C !
Concrètement, sans dissipateur on se maintiendra bien en deçà.
Le calcul de I nominal réel en utilisation se calcule avec les caractéristiques du dissipateur, de l'air ambiant... Abordé au bloc savoir suivant
en A, UdrmAussi nommée Vrrm en anglais, c'est la tension que supporte la jonction à ses bornes (A, K pour le thyristor ; A1, A2 pour le triac) lorsqu'elle est ouverte et donc non passante en Volts, la sensibilité gâchetteEn fonction des références, l'impulsion nécessaire peut varier dans d'assez grandes proportions pour des caractéristiques Id et Udrm similaires et surtout l'isolementIl existe des composants dont le boitier est isolé électriquement de A1, A2, d'autres pas. Il existe aussi des commandes opto-couplées : opto-triacs notamment appelés aussi relais statiques, voir Conseils+
Relais statique sur dissipateur
.
Les datasheets permettent aussi de connaitre toutes les caractéristiques !
Datasheet thyristor en exemple.




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Cochez en vert les affirmations exactes !...


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5/5 : Dissipation thermique

Pourquoi installer un dissipateur ?





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Refroidir les composants

éléments de la chaîne de dissipation thermiqueL'air est un très mauvais conducteur thermique. La surface du boîtier d'un composant électronique est bien trop faible pour dissiper la puissance nominale que peut supporter la jonction.
La puissance indiquée sur le datasheet est donnée pour une surface d'échangeFer à souder 25 W vs composant 100 W

Le fer à soudre de la photo dissipe 25 W pour mener sa panne à ≃ 300°C. Le transistor boîtier TO220 à coté est prévu pour supporter jusqu'à 100 Watts...

Nul doute qu'avec 100 W la température frôlera les 1000°C, bien loin des 125 °C à 175 °C maximum que supporte une jonction de puissance :

La température maximale dépend de la série (Grand Public, Industrie, militaire...)
thermique infinie et une température ambiante de généralement :
Tamb ≃ 25 °C !
La valeur de puissance nominale sur un datasheet n'est pas valable pour un composant 'nu' !




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A savoir sur les dissipateurs !

Dissipateur de variateur industrielAppelés aussi radiateurs (un peu vulgairement parce qu'ils sont chauds...), les dissipateurs du commerce sont généralement en aluminium, quelquefois anodisés noir matéchange thermique avec les couleurs
Le noir mat absorbe et donc échange mieux les infra-rouge et la chaleur que le blanc ou gris aluminium qui aura tendance à les réfléchir...
Cliquez à la suite sur datasheet : de 15 à 35% de performance en plus suivant le profil...
, voir datasheet et sont fournis avec leur caractéristique principale :
Leur résistance thermique Rth exprimée en °C/W ou °K/W1° Celsius ou centigrade = 1 °Kelvin, seule la référence du 0 est différente
0 °K = -273,15 °C ; 273,15° K = 0 °C
. Exemple : 5 °C/WRth (Résistance thermique) 5 °C/W ⇒ ce dissipateur voit sa température
augmenter de 5 °C (par rapport à l'air ambiant) pour 1 Watt à dissiper
Dissipateur 5 °C/W
.
Attention, la valeur Rth n'est vrai qu'en respectant un montage optimalL'air chaud monte naturellement, aussi les ailettes devront être verticale pour améliorer la circulation du flux et utiliser toute la surface déployée
Règle de montage du dissipateur
!
Pour améliorer les performance, les fabricants peuvent choisir le cuivre mais au détriment du poids (masse)La densité du cuivre est de 8.92 pour seulement 2.7 pour l'aluminium.
Soit une densité : 8.92 / 2.7 ≃ 3.3 fois supérieure...
.

La ventilation forcéeOn peut diminuer par 2, 3 et jusqu'à 10 la Rth d'un dissipateur
Dissipateur de µprocesseur avec ventilo
Ici un 'ventirad' de micro-processeur
Ventirad : contraction de ventilateur et radiateur, très en vogue chez les 'Geek'
est aussi très efficace.
Un dissipateur 5 °C/W verra sa température augmenter de 50 °C pour 10 Watts à dissiper
Attention ! Sa température sera donc de 50 °C + la température ambiante Exemple : 70 °C si l'air ambiant est à 20 °C !!




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La chaîne thermique

La jonction n'est pas à la température du dissipateur !
Entre eux, plusieurs éléments, possédant chacun leur propre résistance thermique qui viendront contrarier les échanges thermiques...
Ces résistances thermiques sont principalement en série comme représenté ci-dessous :

RthC variable
Température jonction
tjc
Shunt Température boîtier
tcc pour case en anglais
Shunt Température dissipateur
td
Shunt Température air ambiant
tamb
RthJC ⇒ datasheetRthD à calculer

Les résistances thermiques sont en série (même si, selon les montages une partie viendront aussi en //, souvent négligeable)
  • RthJC = Résistance thermique Jonction/Case : voir datasheet (1.15 °C/W pour IRF540)
  • RthC = Résistance thermique de ContactLiée à la surface du composant, à l'emploi de graisse conductrice aux silicones dopée ou non à l'argent (Argent : meilleur conducteur thermique) :
    Boîtiers TOP3 TO220
    A gauche un transistor en TOP3, à droite en TO220 : des références identiques sont quelquefois disponibles en divers boîtiers, il va de soi que le TOP3, doublant la surface de contact, est préférable en dissipation... Mais plus onéreux !
    entre composant et dissipateur, très variable L'idéal est le ressort : il offre une pression constante calibrée une fois pour toutes !
    C'est d'ailleurs lui qui s'est imposé dans les µprocesseurs d'ordinateurs où quelques dizaines de Watts doivent être dissipés dans quelques petits cm²...
    Ressort de µprocesseur ventirad
    La languette faisant office de ressort est marquée par la flèche rouge
    !
  • RthD = La résistance thermique maximale calculéeNous allons aborder cela ! pour le dissipateur
Les inconvénients du serrage par boulon sont :
  • Trop serré = déformation et donc diminution des surfaces réellement en contact
  • Pas assez = résistance de contact plus élevée que prévu !
L'isolateur électriqueLes composants commutant le réseau 230 V~ (alimentations, variateurs...) peuvent requérir un isolement électrique du dissipateur. Or les isolants électriques sont aussi isolants thermiques...
Mica isolant boîtier TO3zoom isolant dissipateur boîtier TO220
Un isolateur mica pour boîtier TO3, un composite pour boîtier TO220, les Rth respectifs sont fournis par les fabricants
: la catastrophe thermiqueCompter > 1 °C/W pour un petit boîtier, contre ≃ 0.3 °C/W sans isolateur... !
Optimiser la surface en contact : méthode sandwichPlaque sandwich capsule sur micro-processeur et ventirad
A gauche le boîtier du micro-processeur nu : la surface d'échange est minimale : un coeur en cuivre est recommandé au niveau du ventirad.
A droite un µProc encapsulé afin d’augmenter la surface d'échange.
Notez en vert sur le dessin du haut la présence d'un isolateur (isolant électrique), souvent requis pour les applications fonctionnant en 230 V (variateurs, alimentations...) correctement positionné entre la plaque sandwich et le dissipateur !
utilisée dans mes micro-processeurs.




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Déterminer la vraie température maxi de la jonction

température jonction maxi en fonction de la puissance
On linéariseCela nous préserve de toute erreur et simplifie les calculs : une simple règle de 3 suffit ! la courbe sachant que dans la majorité des cas la puissance maxi supportée par une jonction est vraie jusqu'à 25 °C.
A la température maximale le composant ne peut fournir aucune puissance, on pourra ainsi tracer une ligne et calculer avec une simple règle de 3 !
Exemple ici : 100 W maxi à 25 °C et 125 °C maxi donc pour 0 W.
Si notre composant doit fournir 40 W, sa température de jonction maximale sera de :

tj = 125 – [ (125 – 25) × (40 / 100)] = 125 – [ 100 × 0.4 ] = 125 – 40 = 85 °C !
tjc = t maxi - [ (t maxi – t refPlage de fonctionnement : ici 100, l'oblique qui va de 25 °C à 125 °C sur ce schéma) × (P à dissiper / P maxi)]

Polémique : Notez que plus vous vous rapprocherez de la ligne rouge, tout en restant dans la verte, plus vous rendrez votre montage peu fiable... De 'mauvais' esprits diraient que cette méthode permet un renouvellement 'naturel' d'une électronique quasiment inusable sans cela... Bien loin de nous de telles pensées ! L'emploi de graisse pour améliorer l'échange thermique est efficace mais cette graisse sèche perd de ses propriétés : à renouveler !

En partie abonnés : vidéo sur le module PeltierModule Peltier en vidéo, mesure laser !





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Calculs avec IRF540 : 40 Watts et donc 85 °C maxi

Soit 40 W à dissiper avec une température de jonction maximale de 85 °C.
RthJC comme, précisé au datasheet IRF540, vaut 1.15 °C/W.
Donc tc maxi = 85 °C – (40 W × 1.15 °C/W) = 85 - 46 = 39 °C
Si l'on admet un très bon contact sans isolateur entre dissipateur et boîtier de 0.3 °C/W :
Température dissipateur td maxi = 39 °C – (40 W × 0.3 °C/W) = 39 – 12 = 27 °C maximum...
Si l'air ambient ne dépasse pas 20 °C cela laisse 7 °C de marge (27 – 20)...
Dans ce cas RthD maxi = 7 °C / 40 W = 0.175 °C/W ce qui est très très bas !
Voir ce datasheet dissipateur.
La seule solution serait de ventiler... Sans compter que si l'on admet un air ambiant pouvant atteindre 30 °C, on trouve une valeur négative 27 – 30 = –3 °C = impossible ; à moins de climatiser !

La solution consiste ici à monter 2 IRF540 en // (parallèle)
Ou à choisir un autre transistor avec un RthJC plus faible en boîtier plus large : TOP3 par exemple
En installant 2 IRF540 en //, chacun ne dissipe plus que 20 Watts et il faut tout reprendre depuis le début car tj maxi devient, fort heureusement, plus grand :
tj maxi = 125 – [ (125 – 25) × (20 / 100)] = 125 – [ 100 × 0.2 ] = 125 – 20 = 105 °C
Nous allons utiliser la formule issue des résistances en série :
RthD maxi = [(tjc maxi – tamb) / P] – RthJC – RthC
RthD maxi = [(105 °C - 30 °CPrenons T ambiant le plus défavorable : 30 °C) / 20 W] – 1.15 °C/W – 0.3 °C/W = 75 / 20 – 1.45 ≃ 2.3 °C/W ce qui est bien plus raisonnable ! Comme on peut le voir sur le datasheet dissipateur, le type 44DN en (50 × 130 × 32 mm) correspond 'pile poil'. Mais dans un souci de fiabilité, toujours prendre une marge d'au moins 20%,
(à moins que vous ne cherchiez volontairement à limiter la durée de vie, le MTBFMedium Time Before Failure
(temps moyen avant une panne)
de vos montage !!!)

Donc avec 20% de marge : le 41DN (120 × 37 × 50 mm) pour chaque transistor ou mieuxOn a vu que les MOSFET supportaient bien la mise en // de par leur équilibrage naturel, toutefois on peut aussi utiliser le même dissipateur : 41DN (120 × 37 × 125 mm) en noir anodisé...
Notez au passage que le noir anodisé sur dissipateur permet un gain de performances de 15% à 35% !




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La jonction d'une diode

Recombinaison de la zone de transition dans une jonction
La juxtaposition des zones P et NLa zone P à trous et de la zone N en excès d'électrons... produit tout simplement la migration d'électrons de la zone N vers la zone P : la recombinaison. Cela créée une ddpNon mesurable avec un appareil classique, vraiment trop peu d'intensité !
Mais ce seuil est d'environ 0.3 V avec une diode germanium ; 0.7 avec du silicium
et émet un photon (visible dans les LED Light-Emitting Diode, DEL Diode Electro-Luminescente en français
Leds et afficheur 7 segments
). Cette ddp bloque la circulation de courant dans un certain sens, nous allons le voir.
Seuil d'une jonction
Une structure cristalline, régulière et périodique est isolante. Un dopage P, à pour but de créer des trous (des manques d'électrons dans la structure). Le dopage P s'obtient par chauffage et combinaison de Bore...
Un dopage N a pour but de créer des électrons libres (un surplus d'électrons dans la structure). Le dopage N s'obtient par chauffage et combinaison d'arsenic, phosphore, anitomoine...
Jonction conductrice
Dans ce sens, la tension appliquée aux bornes de la diode annihile le tension de seuil et le courant circule dès que la tension de seuil est dépassée !
Jonction bloquée Une tension inverse conforte la tension de seuil en l'augmentant, la diode se comporte alors comme un isolant. Avec une limite destructive : la tension inverse maximum supportée : voir les datasheetSpécifications techniques fournies par le fabriquant de la diode !

Jonction de bipolaire

Transistor bipolaire NPN jonction
Le transistor bipolaire utilise un équivalent à 2 diodes tête-bêcheReprésentation diodes dans NPN avec la base b en point de liaison des 2 cathodesAnodes pour un NPN, cathodes pour un PNP
Représentation didoes dans un PNP
. Représentée ici en NPN, (le principe vaut pour un PNP) sans alimentation sur la base, la jonction d'un transistor bipolaire bloque la circulation du courant dans les 2 sens.
Transistor bipolaire NPN conduction jonction
Le fait d'appliquer entre la base b et l'émetteur e une tension supérieure au seuil de la diode engendre une intensité dans la base qui annihile le blocage dû à cette zone de transition et permet une conduction entre c et e d'une intensité allant jusqu'à β × I base
Jonction de transistor NPN
Photo de la jonction d'un NPN 2N2222.

Jonction mosfet

Jonction mosfet sans conduction
Avec un mosfet N, drain d et source s sont de type N et séparés par une zone P : la structure ressemble à un NPN (PNP pour le canal P). Si Vgs, tension gate / source est nulle ou inférieure au début de conductionGénéralement ≃ 3.5 Volts : la résistance entre d et s est ∞ sur les modèle à enrichissementSoit 99% des mosfet.
A l'inverse les mosfet à déplétion offrent alors leur résistance RdsON
(voir datasheet : de quelques mΩ à quelques Ω)
.
Jonction mosfet en conduction
Alimentée, sa gate (porte) crée un champ électrostatique ouvrant un canal laissant circuler les électrons. Lorsque la gate g qui est isolée (telle un condensateur) est chargée par une tension suffisanteVoir le cours : Vgs de pincement commence à ≃ 3.5 V et n'évolue plus vraiment après ≃ 7 V.
Destruction pour ± 20 V
, elle crée un canal qui laisse passer les électrons. La largeur de ce canal et donc la résistance entre drain d et source s évoluent entre ∞ et RdsONVoir datasheet : de quelques mΩ à quelques Ω.

Relais statique

Relais statique sur dissipateur
Relais statique à triac opto-couplé sur dissipateur
Relais statique à triac
Relais statique module DIN
Un relais statique inclut un triac et une LED. L'allumage de la LED contrôle le triac (opto-couplage) en assurant une isolation galvaniqueSéparation électrique complète des circuits tout comme le relais qui, lui, utilise l'électromagnétisme entre commande et puissance.

Avantages du statique
  • MTBFMedium Time Before Failure, temps moyen avant panne...
    Un composant électronique statique est quasiment inusable si utilisé pas trop près des limites 'AMR' Absolute Maximum Ratings (datasheet)
    très élevé
  • Très rapideRelais ILS
    Jusqu'à plusieurs dizaines de milliers d'Hertz contre moins de 10 Hz pour un relais mécanique, près de 100 Hz pour un ILS : interrupteur Lames souples :
    flexibles, les contacts élastiques 'se tordent' limitant ainsi le mouvement mécanique et donc l'inertie, le délai de commutation !
  • Totalement silencieux
  • Commande requérant peu de puissanceLa LED de commande fonctionne généralement de 5 à 24 Vcc pour quelques mA...
  • Peu encombrant et léger

Relais contacteur

Le relais ou contacteur électromécanique à commande par bobine électroaimant :

Avantages du mécanique
  • RobustessePlus sensible aux chocs mécaniques, il tolère par contre mieux les dépassements de tension et d'intensité brefs du fait que ses contacts sont mécaniques...
    Ce qui les rend aussi bien plus sensibles à l'usure !
    face aux surtensions, surintensité
  • Chute de tensionEntre son équivalent de 'contact' NO, le relais statique engendre à minima 1 Volt de chute de tension, en pratique jusqu'à quelques volts... Bien moins en mécanique réduite
  • Plus économique en haute puissance
  • Peu sensible aux perturbationsUn optocoupleur commence à réagir pour 5 V et 1 à 2 mA soit 10 mW, alors qu'un contacteur exige plusieurs watts pour basculer, les parasites ne sont pas assez puissants pour le faire commuter !


Pertes en commutation et conduction

  • Parfaite (théorique) en vert : transition nulle !
  • Tension aux bornes du contact en bleu
  • Intensité traversant le contact en violet
  • Pertes par conductionAucun contact n'est parfait : une résistance subsiste mais elle doit être négligeable
    Pour un transistor de commutation c'est soit sa résistance RdsON (mosfet), soit sa tension CE
    en marron en bas
  • Pertes par commutationLa pointe est ≃ égale à la puissance du circuit fermé divisée par 4 car les courbes de tension et d'intensité se croisent à leur demie valeur.
    Comme on ne peut diminuer cette pointe, on va s'attacher à limiter la largeur du triangle ainsi formé, car il représente l'énergie. Pour cela, on utilisera des bascules rapides !
    , les pointes rouges
Pertes par commutation
Comme il est impossible de diminuer la pointe, (liée à U et I), on diminue au maximum le temps de transitionEn bleu, le signal parfait, en gris la période t, en rouge le temps de commutation, en vert le temps 0 ou 1 :
Temps de transition des composants en HF
Il apparaît clairement que le ratio tc (temps de commutation : pertes Joule) en rouge est inacceptable au milieu (près de ≃ 50% !).
Alors qu'il est en vert acceptable en bas (< à 10%)
avec des composants très rapides !

Conseils+, compléments, prérequis :
Jonction de diode
Jonction bipolaire
Jonction mosfet
Relais statique vs mécanique
Pertes commutation et conduction

Cours connexes recommandés par l'auteur :

Lien externe recommandé par l'auteur :

Crée le 04 / 06 / 2017, der. màj le 04 / 11 / 2017 par : Guillaume (Guillaume DUPAS)
Contributeur Guillaume DUPAS Gu5835e07c1389f
Cours vu 323 fois ★★★★☆
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