ETUDE DES COMPOSANTS DE PUISSANCE (partie 1/3)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de : - expliquer les lois fondamentales de l’électronique et les appliquer à l’analyse de circuits de puissance ; - décrire la structure, le principe de fonctionnement et les caractéristiques principales du thyristor, du TRIAC et du DIAC ; - analyser un circuit de commande de puissance basé sur un TRIAC‑DIAC et déterminer l’angle de déclenchement ; - identifier les différents régimes de fonctionnement d’un transistor bipolaire, calculer ses points de polarisation et déterminer le gain d’un amplificateur en émetteur commun ; - choisir le composant adapté à une application donnée (variateur de lumière, redresseur commandé, ampli audio) en respectant les normes de sécurité et les bonnes pratiques d’atelier au Cameroun. **Prérequis** : maîtriser les lois d’Ohm, des nœuds (KCL) et des mailles (KVL), connaître le comportement idéal d’une diode, savoir lire une caractéristique I‑V, et être familiarisé avec les notions de tension, de courant, de puissance et de dissipation thermique. --- ## Introduction contextualisée Dans les installations industrielles camerounaises (usines de transformation agroalimentaire, ateliers de soudure, systèmes de pompage pour l’irrigation, réseaux d’éclairage public), la commande de la puissance électrique est essentielle pour optimiser la consommation, protéger les équipements et assurer la sécurité des personnes. Les composants de puissance tels que les thyristors, TRIAC, DIAC et les transistors bipolaires permettent de réaliser des variateurs de vitesse, des redresseurs commandés, des gradateurs de lumière et des étages d’amplification utilisés dans les télécommandes de moteurs ou les systèmes d’alimentation à découpage. Ce chapitre fournit les bases théoriques et pratiques nécessaires pour intervenir sur ces équipements conformément aux normes IEC et aux règles de sécurité en vigueur au Cameroun (NF C 15‑100, IEC 60730, IEC 60950‑1). --- ## I. Leçon 1 : Révision générale sur les lois électroniques ### 1.1 Lois fondamentales > **Loi d’Ohm** : \( V = I \, R \) (V en volts, I en ampères, R en ohms). > **Loi des nœuds (KCL)** : \(\displaystyle \sum I_{entrant} = \sum I_{sortant}\). > **Loi des mailles (KVL)** : \(\displaystyle \sum V_{boucle} = 0\). > **Loi de puissance** : \( P = V I = I^{2} R = \dfrac{V^{2}}{R} \) (P en watts). ### 1.2 Lois des composants semi‑conducteurs - **Diode de Shockley** : \( I = I_{S}\left(e^{\frac{V_{D}}{n V_{T}}} - 1\right) \) où \(I_{S}\) est le courant de saturation, \(n\) le facteur d’émission (≈1‑2) et \(V_{T}=kT/q\approx 25\text{ mV}\) à 300 K. - **Gain du transistor bipolaire** : \( \beta = \dfrac{I_{C}}{I_{B}} \) (sans unité). ### 1.3 Méthodes d’analyse - Méthode des nœuds (résolution d’un système d’équations KCL). - Méthode des mailles (résolution d’un système d’équations KVL). - Superposition (valable pour les circuits linéaires). - Théorèmes de Thévenin et Norton (équivalents source‑résistance). ### 1.4 Exemple chiffré : calcul du courant dans une résistance Un générateur de 12 V alimente une résistance de 470 Ω en série avec une diode siliconée (tension de seuil \(V_{D}=0,7\) V). 1. Tension aux bornes de la résistance : \( V_{R}= V_{g} - V_{D}=12-0,7=11,3\) V. 2. Courant : \( I = V_{R}/R = 11,3/470 \approx 24,0\text{ mA}\). 3. Puissance dissipée dans la résistance : \( P_{R}= V_{R} I = 11,3 \times 0,024 \approx 0,27\) W. > **À retenir** : Dans un circuit avec diode polarisée en direct, soustraire toujours la tension de seuil avant d’appliquer la loi d’Ohm. ### 1.5 Normes et sécurité de base - **NF C 15‑100** : règles d’installation électrique à basse tension au Cameroun. - **IEC 60730** : exigences pour les commandes automatiques (variateurs, gradateurs). - Toujours vérifier l’isolement, utiliser des dispositifs de protection contre les surtensions (varistances, fusibles) et respecter les courants de fuite admis (< 0,5 mA pour les appareils domestiques). --- ## II. Leçon 2 : Le Thyristor‑le TRIAC‑le DIAC ### 2.1 Thyristor (SCR – Silicon Controlled Rectifier) > **Définition** : Dispositif à quatre couches (PNPN) à trois terminals (anode A, cathode C, porte G). - **Principe de fonctionnement** : En état bloqué (état off), aucune conduction tant que la tension anode‑cathode \(V_{AK}\) est inférieure à la tension de blocage en direct \(V_{DRM}\) (valeur typique 600‑1200 V) **et** que le courant de porte \(I_{G}\) est inférieur au courant de déclenchement \(I_{GT}\). Un courant de porte \(I_{GT}\) suffisante déclenche la conduction ; le dispositif reste ON tant que le courant d’anode dépasse le courant de maintien \(I_{H}\). - **Caractéristiques statiques** : - Tension de blocage inverse \(V_{RRM}\) (souvent 600‑1200 V). - Courant de déclenchement de porte \(I_{GT}\) (quelques mA à dizaines de mA). - Courant de maintien \(I_{H}\) (10‑100 mA). - Tension de porte de déclenchement \(V_{GT}\) (≈ 0,8‑1,5 V). - **Applications typiques** : redresseurs commandés (alimentation de soudure), variateurs de vitesse pour moteurs à courant continu, gradateurs de lumière, onduleurs. ### 2.2 TRIAC (Triode for Alternating Current) > **Définition** : Équivalent à deux thyristors montés en parallèle inverse, permettant la conduction dans les deux sens du courant alternatif. - **Principaux paramètres** : mêmes que le thyristor (\(V_{BO}, I_{GT}, I_{H}, V_{GT}\)) mais valables pour chaque demi‑onde. - **Avantage** : commande simple d’une charge AC avec une seule porte. - **Applications** : variateurs de luminosité, régulateurs de vitesse pour moteurs universels, commandes de chauffage résistif. ### 2.3 DIAC (Diode for Alternating Current) > **Définition** : Dispositif bidirectionnel à déclenchement, sans électrode de porte, utilisé pour déclencher un TRIAC de façon symétrique. - **Caractéristique** : tension de déclenchement symétrique \(V_{BO}\) (break‑over voltage) généralement entre 20 V et 40 V (ex. 30 V pour le DB3). - **Fonctionnement** : lorsque la tension aux bornes du DIAC dépasse \(±V_{BO}\), il passe à l’état conducteur, fournissant un courant de déclenchement au TRIAC. ### 2.4 Exemple de circuit : variateur de luminosité TRIAC‑DIAC **Données** : réseau monophasé 230 V / 50 Hz, charge résistive (lampe) de 60 W, réseau de déclenchement composé d’une résistance \(R=30 k\Omega\) et d’un condensateur \(C=0,1 µF\) en série, relié à la porte du TRIAC via le DIAC. 1. **Constante de temps** : \(\tau = R C = 30 000 \times 0,1\times10^{-6}=3 ms\). 2. **Angle de déclenchement** \(\alpha\) (en degrés) approximatif pour un réseau RC : \[ \alpha \approx \arccos\!\left(1 - \frac{V_{BO}}{V_{p}}\right) \quad\text{avec}\quad V_{p}= \sqrt{2}\,V_{rms}= \sqrt{2}\times230\approx 325\text{ V}. \] En utilisant \(V_{BO}=30\) V : \[ \alpha \approx \arccos\!\left(1 - \frac{30}{325}\right)=\arccos(0,9077)\approx 24,8^{\circ}. \] 3. **Angle de conduction** : \(180^{\circ}-\alpha\) pour chaque demi‑onde → environ \(155^{\circ}\). 4. **Puissance moyenne** (approximation) : \[ P_{moy}=P_{max}\frac{180-\alpha}{180}=60\text{ W}\times\frac{155}{180}\approx 51,7\text{ W}. \] > **À retenir** : L’angle de déclenchement dépend directement du produit \(RC\) ; augmenter \(R\) ou \(C\) retarde le déclenchement et diminue la puissance délivrée. ### 2.5 Sécurité et bonnes pratiques - Utiliser un dissipateur thermique adapté au courant d’anode (ex. 2 A → dissipateur de 5 °C/W). - Prévoir une résistance de limitation de courant de porte (typ. 100 Ω) pour protéger le driver. - Respecter les distances d’isolement entre les parties haute tension et les circuits de commande (au moins 3 mm selon IEC 60950‑1). - Vérifier le courant de fuite avec un multimètre en mode µA avant mise sous tension. --- ## III. Leçon 3 : Transistors bipolaires ### 3.1 Structure NPN et PNP > **Définition** : Trois régions de dopage (émetteur‑base‑collecteur). Dans un NPN, l’émetteur et le collecteur sont de type N, la base de type P ; le PNP est l’inverse. - **Biaisage** : - Junction émetteur‑base (EB) polarisée en direct → injection de porteurs. - Junction base‑collecteur (BC) polarisée en inverse → collecte des porteurs. ### 3.2 Régimes de fonctionnement | Régime | Condition (NPN) | Courant collecteur | Tension CE | |--------|----------------|--------------------|------------| | Coupure | \(V_{BE}<0,6\) V | \(I_{C}\approx0\) | \(V_{CE}\approx V_{CC}\) | | Actif | \(0,6<V_{BE}<0,8\) V, \(V_{CE}>V_{CE(sat)}\) | \(I_{C}= \beta I_{B}\) | \(V_{CE}=V_{CC}-I_{C}R_{C}-I_{E}R_{E}\) | | Saturation | \(V_{BE}\approx0,7\) V, \(V_{CE}<V_{CE(sat)}\) | \(I_{C}\) limité par \(R_{C}\) et \(R_{E}\) | \(V_{CE(sat)}\approx0,1\!-\!0,3\) V | > **À retenir** : En régime actif, le transistor se comporte comme un courant contrôlé par le courant de base ; en saturation, il ressemble à un interrupteur fermé avec une petite chute de tension. ### 3.3 Caractéristiques statiques - Tension de base‑émetteur en conduction : \(V_{BE(on)}\approx0,6\!-\!0,7\) V. - Courant de fuite collecteur‑base : \(I_{CBO}\) (quelques nA à µA selon température). - Gain de courant : \(\beta = h_{FE}\) (typique 20‑300 pour les petits signaux, 10‑50 pour les transistors de puissance). ### 3.4 Amplificateur en émetteur commun (configuration classique) - **Gain de tension** (approximation) : \[ A_{v}= -\frac{R_{C}}{r_{e}},\qquad r_{e}= \frac{25\text{ mV}}{I_{E}}. \] - **Exemple de dimensionnement** : - Consigne : obtenir un gain de magnitude \(|A_{v}|\approx 100\) avec un courant d’émetteur \(I_{E}=2\) mA. - Calcul de \(r_{e}=25\text{ mV}/2\text{ mA}=12,5\ \Omega\). - Nécessaire \(R_{C}=|A_{v}|\times r_{e}=100\times12,5=1,25\ k\Omega\). On choisit la valeur normalisée \(1,2\ k\Omega\). - Vérification du point de repos : - \(V_{CC}=12\) V, \(R_{E}=0\) (émetteur à la masse pour simplifier). - \(I_{C}\approx I_{E}=2\) mA → chute sur \(R_{C}\): \(V_{RC}=I_{C}R_{C}=2\text{ mA}\times1,2\ k\Omega=2,4\) V. - \(V_{CE}=V_{CC}-V_{RC}=12-2,4=9,6\) V (dans le régime actif, bonne marge). - **Puissance dissipée dans le transistor** : \(P_{Q}=V_{CE} I_{C}=9,6\text{ V}\times2\text{ mA}=19,2\) mW (négligeable, pas de dissipateur nécessaire). > **À retenir** : Le gain d’un ampli en émetteur commun est inversement proportionnel au courant d’émetteur ; augmenter \(I_{E}\) réduit le gain mais améliore la linéarité et la bande passante. ### 3.5 Applications typiques au Cameroun - Étages d’amplification audio dans les systèmes de sonorisation des écoles et des églises. - Interfaces de commande entre microcontrôleurs (ex. Arduino) et relais ou moteurs à courant continu dans les projets d’automatisation agricole. - Convertisseurs de niveau logique (TTL ↔ CMOS) dans les équipements de télécommunication rurale. ### 3.6 Sécurité et dissipation thermique - Vérifier la puissance maximale admissible \(P_{D(max)}\) du boîtier (ex. TO‑92 : 0,625 W, TO‑220 : 2 W). - Si \(P_{Q}>0,5\,P_{D(max)}\), prévoir un dissipateur ou un pad thermique. - Respecter les limites de courant de collecteur (ex. 2N2222 : \(I_{C(max)}=600\) mA). - Utiliser des résistances de limitation de courant de base pour éviter l’échauffement excessif. --- ## Synthèse du chapitre - **Lois de base** : Ohm, KCL, KVL, puissance ; équation de Shockley pour la diode ; gain \(\beta\) du transistor. - **Thyristor** : dispositif à quatre couches, déclenché par porte, reste ON tant que \(I_{anode}>I_{H}\). En état bloqué, aucune conduction tant que \(V_{AK}<V_{DRM}\) et \(I_{G}<I_{GT}\). Utilisé dans les redresseurs commandés et variateurs de CC. - **TRIAC** : deux thyristors en parallèle inverse, commande symétrique du courant alternatif, idéal pour gradateurs de lumière et variateurs de vitesse universels. - **DIAC** : déclencheur bidirectionnel, tension de déclenchement \(V_{BO}\) (~30 V), assure un déclenchement symétrique du TRIAC. - **Transistor bipolaire** : trois régimes (coupure, actif, saturation) ; gain \(\beta = I_{C}/I_{B}\) ; ampli en émetteur commun : gain \(A_{v}=-R_{C}/r_{e}\) avec \(r_{e}=25\text{ mV}/I_{E}\). - **Sécurité** : respecter les courants de maintien, les tensions de claquage, les dissipateurs thermiques, les normes NF C 15‑100, IEC 60730, IEC 60950‑1 ; vérifier les courants de fuite et les distances d’isolement. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | Thyristor (SCR) | Dispositif à quatre couches (PNPN) à trois électrodes, conducteur après déclenchement de porte tant que le courant d’anode dépasse le courant de maintien. | | TRIAC | Équivalent à deux thyristors montés en parallèle inverse, permettant la conduction dans les deux sens du courant alternatif, commandé par une seule porte. | | DIAC | Dispositif bidirectionnel à déclenchement symétrique, sans électrode de porte, utilisé pour déclencher un TRIAC de façon homogène. | | Courant de maintien \(I_{H}\) | Courant minimal d’anode nécessaire pour maintenir le thyristor/TRIAC en état conducteur après déclenchement. | | Tension de déclenchement de porte \(V_{GT}\) | Tension minimale à appliquer entre la porte et la cathode pour provoquer le déclenchement d’un thyristor/TRIAC. | | Gain de courant \(\beta\) | Rapport \(I_{C}/I_{B}\) d’un transistor bipolaire en régime actif, sans unité. | | Tension de base‑émetteur \(V_{BE(on)}\) | Tension seuil (~0,6‑0,7 V) nécessaire pour mettre en conduction la jonction émetteur‑base d’un transistor bipolaire. | | Courant de fuite \(I_{CBO}\) | Courant qui traverse la jonction collecteur‑base lorsque l’émetteur est ouvert, fortement dépendant de la température. | | Angle de déclenchement \(\alpha\) | Angle (en degrés) mesuré depuis le passage par zéro de la tension AC jusqu’au moment où le TRIAC devient conducteur. | | Constante de temps \(\tau\) | Produit \(R C\) d’un réseau RC, caractérise la vitesse de charge/décharge du condensateur. | | Gain de tension d’un ampli en émetteur commun \(A_{v}\) | Approximation \(-R_{C}/r_{e}\) où \(r_{e}=25\text{ mV}/I_{E}\). | | Courant de saturation \(I_{C(sat)}\) | Courant collecteur maximal atteint lorsque le transistor est en saturation, limité par les résistances de charge et d’émetteur. | --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Dimensionnement d’un variateur de lumière **Données** : réseau 230 V / 50 Hz, lampe incandescente 40 W, réseau de déclenchement formé par \(R=20 k\Omega\) et \(C=0,22 µF\). Le DIAC utilisé a \(V_{BO}=30\) V. **Questions** : 1. Calculer la constante de temps \(\tau\). 2. Estimer l’angle de déclenchement \(\alpha\) (en degrés). 3. Déterminer la puissance moyenne approximative délivrée à la lampe. **Corrigé** : 1. \(\tau = R C = 20 000 \times 0,22\times10^{-6}=4,4\text{ ms}\). 2. Tension crête \(V_{p}= \sqrt{2}\times230\approx325\) V. \[ \alpha \approx \arccos\!\left(1-\frac{V_{BO}}{V_{p}}\right)=\arccos\!\left(1-\frac{30}{325}\right)=\arccos(0,9077)\approx 24,8^{\circ}. \] 3. Angle de conduction par demi‑onde : \(180^{\circ}-\alpha\approx155^{\circ}\). Puissance maximale de la lampe : \(P_{max}=40\) W. Puissance moyenne : \[ P_{moy}=P_{max}\frac{180-\alpha}{180}=40\times\frac{155}{180}\approx 34,4\text{ W}. \] La lampe fonctionnera donc à environ 86 % de sa puissance nominale. ### Exercice 2 – Polarisation d’un amplificateur en émetteur commun **Données** : transistor BC547 (NPN) avec \(\beta=110\), \(V_{CC}=12\) V, résistance d’émetteur \(R_{E}=470\ \Omega\), résistance de collecteur \(R_{C}=2,2\ k\Omega\). On suppose une polarisation de base telle que \(V_{BE}\approx0,7\) V et que le courant de base est négligeable devant le courant d’émetteur pour une première approximation. **Questions** : 1. Calculer le courant d’émetteur approximatif \(I_{E}\). 2. Déterminer le gain de tension théorique \(A_{v}\). 3. Vérifier que le transistor reste en régime actif (calculer \(V_{CE}\)). **Corrigé** : 1. Première approximation (négligeant \(I_{B}\)) : \[ I_{E}\approx \frac{V_{CC}-V_{BE}}{R_{E}+R_{C}}=\frac{12-0,7}{470+2200}= \frac{11,3}{2670}\approx 4,23\text{ mA}. \] En incluant le courant de base : \(I_{B}=I_{C}/\beta\approx I_{E}/\beta\). Avec \(I_{E}\approx4,23\) mA, \(I_{B}\approx38,5\ \mu\)A, donc \(I_{E}=I_{C}+I_{B}\approx4,27\) mA. On garde \(I_{E}\approx4,3\) mA. 2. \(r_{e}=25\text{ mV}/I_{E}=25\text{ mV}/4,3\text{ mA}\approx5,8\ \Omega\). Gain de tension : \[ A_{v}= -\frac{R_{C}}{r_{e}}= -\frac{2200}{5,8}\approx -379. \] La magnitude du gain est d’environ 380. 3. Calcul des tensions : - \(V_{E}=I_{E}R_{E}\approx4,3\text{ mA}\times470\ \Omega\approx2,0\) V. - \(V_{C}=V_{CC}-I_{C}R_{C}\approx12-4,3\text{ mA}\times2,2\ k\Omega\approx12-9,5\approx2,5\) V. - \(V_{CE}=V_{C}-V_{E}\approx2,5-2,0\approx0,5\) V. Cette valeur de \(V_{CE}\) est de l’ordre de la tension de saturation typique (\(<0,3\) V) voire légèrement au‑dessus, ce qui indique que le transistor travaille en limite de saturation. Pour garantir un fonctionnement en régime actif, il faudrait réduire \(R_{C}\) ou augmenter \(V_{CC}\). Avec les valeurs données, le transistor est proche de la saturation. > **À retenir** : Dans un ampli en émetteur commun, le gain dépend surtout du rapport \(R_{C}/r_{e}\); augmenter \(R_{C}\) augmente le gain mais réduit la marge de dynamique en sortie et peut pousser le transistor vers la saturation. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |----|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | Oublier de soustraire la tension de seuil \(V_{BE}\) (ou \(V_{D}\)) avant d’appliquer la loi d’Ohm dans un circuit avec diode ou transistor. | Surévaluation du courant, risque de dépassement de la puissance admissible du composant. | Toujours vérifier la polarisation des jonctions avant le calcul ; utiliser la méthode du nœud avec les tensions de seuil connues. | | 2 | Dimensionner un réseau RC de déclenchement TRIAC‑DIAC avec une valeur de \(R\) trop faible, provoquant un déclenchement prématuré et un angle de déclenchement trop petit. | La charge reçoit presque la pleine tension → surchauffe, réduction de la durée de vie de la lampe ou du moteur. | Respecter la formule \(\tau = RC\) ; choisir \(R\) de façon à obtenir un \(\alpha\) compris entre 10° et 80° pour la plupart des applications d’éclairage. | | 3 | Négliger le courant de maintien \(I_{H}\) lors du dimensionnement d’un thyristor dans un redresseur commandé. | Le thyristor peut se rétablir en état bloqué pendant la demi‑onde suivante, provoquant des à-coups de courant et des bruits acoustiques. | S’assurer que le courant de charge dépasse toujours \(I_{H}\) (ex. ajouter une résistance de charge minimale ou une inductance de freinage). | | 4 | Utiliser un transistor de faible puissance (ex. 2N2222) comme commutateur de charge inductive sans diode de roue libre. | Tension de claquage inverse importante lors de l’extinction du courant → destruction du transistor. | Toujours placer une diode de roue libre (ex. 1N4007) en parallèle avec la charge inductive, cathode au +V, anode au collecteur. | | 5 | Ne pas prévoir de dissipateur thermique pour un transistor de puissance dissipant plus de 0,5 W. | Augmentation de la température de jonction → dégradation du gain, risque de rupture thermique. | Calculer la puissance dissipée \(P_{Q}=V_{CE}I_{C}\) ; comparer à \(P_{D(max)}\) du boîtier ; ajouter un dissipateur ou un pad thermique si nécessaire. | | 6 | Travailler sous tension sans vérifier l’absence de potentiel résiduel sur les condensateurs de filtrage d’une alimentation à découpage. | Choc électrique pouvant entraîner des blessures graves. | Avant toute intervention, décharger les condensateurs avec une résistance de décharge (ex. 10 kΩ/5 W) et mesurer la tension avec un multimètre en mode DC. | --- *Fin du cours.*