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Actifs-semiconducteurs
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La deuxième génération de composants actifs a été développée aux Etats-Unis pendant la seconde guerre mondiale et elle a abouti en 1948 à la mise au point par les laboratoires Bell des composants à semi-conducteurs. Tout y repose sur les propriétés de semi-conducteurs du type germanium, silicium, indium, arséniure de gallium, carbure de silicium où une petite proportion de dopants leur donne un caractère P ou N. La condition sine qua non est la pureté presque absolue des cristaux et l’absence de défauts dans la structure cristalline. Les associations de zones P et N donnent les diodes, transistors, thyristors etc. On a retrouvé avec certains semi-conducteurs des comportements qui ressemblaient à ceux des tubes électroniques mais bien d’autres, originaux, ont été obtenus. L’association la plus simple est la jonction PN qui montre un effet redresseur presque idéal comparé à son équivalent en tube électronique. La chute de tension d’une diode à vide atteint facilement 50 V tandis que celle de la classique jonction PN au silicium atteint 0.7 V. Dans les transistors bipolaires à jonctions PNP ou NPN, l’effet d’amplification est obtenu en associant des couches de semi-conducteurs de différentes épaisseurs et de différents dopages. Le résultat est qu’avec un petit courant de contrôle entre une source appelée émetteur et une couche de contrôle appelée base on arrive à contrôler un courant 100 fois plus grand passant directement de l’émetteur vers le collecteur. Ces transistors avec une commande par un courant ne se trouvent plus que dans quelques niches d’applications spécifiques comme les tensions de service > 1000 V. Leurs caractéristiques les fait ressembler aux triodes. La très grande majorité des transistors existant maintenant et surtout dans les composants logiques comme les micro-processeurs et les mémoires sont du type à commande en tension par un effet de champ. Ce sont les transistors Métal Oxyde Semi-conductor-Field Effect Transistor : MOS-FET. La grille de commande crée un canal conducteur entre une source et un drain. L’équivalent en tube électronique est la penthode. L’avantage de ce principe est la possibilité de miniaturisation, les faibles courants de commande et de fuite et la réduction des tensions d’alimentation. On arrive à ainsi intégrer des dizaines de millions de transistors sur moins d’un cm2. Lorsque l’on empile deux transistors selon 4 couches PNPN, on obtient le thyristor qui fonctionne comme une diode commandée par une impulsion injectée dans l’électrode de gâchette. L’équivalent en tube est le thyratron. En rajoutant une couche de plus, on obtient le TRIAC qui est un interrupteur bidirectionnel pour les tensions alternatives. Pratiquement tous les montages électroniques que l’on savait réaliser avec des tubes ont pu être reproduits avec des semi-conducteurs. Certaines caractéristiques physiques spécifiques au semi-conducteurs ont étendu les possibilités des montages : -La dépendance exponentielle du courant avec la tension dans les jonctions semi-conductrices a permis de réaliser facilement des amplificateurs logarithmiques sur un grand nombre de décades. Une fois la fonction log obtenue, on sait réaliser des multiplieurs. C’est la base des calculateurs analogiques. -La dépendance linéaire de la chute de tension dans les diodes en fonction de la température permet de réaliser des capteurs de température. -Par des rapports de surface de jonction, on sait asservir des courants dans des rapports précis : ce sont les miroirs de courant. -Des diodes à l’arséniure de gallium dont le dopage est modifié ad hoc peuvent fonctionner en résistance négative et entretenir l’oscillation de cavités hyperfréquences : c’est la diode Gunn utilisée dans les alarmes volumétriques et pour des mesures de vitesse. -Les phénomènes d’injection de charges peuvent être rendus très rapides et ils servent dans les générateurs d’harmoniques. On sait aussi réaliser des associations métal/semi-conducteur essentiellement sous forme de diodes ''Schottky'' qui ont l’avantage d’avoir une chute de tension de 0.3 V environ et de ne pas créer de charges recouvrées. Les photons, et divers rayonnements peuvent moduler le courant inverse de diodes spéciales : on recrée les cellules photo-électriques. Leur miniaturisation a permis de réaliser les capteurs en cellules CCD (Charged Coupled Devices) qui sont à la base des appareils photo-numériques et des caméscopes. Il y aussi la conversion directe d’énergie lumineuse en énergie électrique : ce sont les cellules photovoltaïques. La conversion directe d’énergie électrique en énergie lumineuse par sauts quantiques dans les diodes LED et les LASERs n’est pas envisageable dans les tubes électroniques. La seule limitation importante des semi-conducteurs est le fait que les porteurs de charge doivent se déplacer dans une structure cristalline qui doit être petite pour avoir un temps de transit faible et donc ne pouvant contrôler qu’une faible puissance. Les électrons se déplacent plus vite dans les tubes électroniques que dans les semi-conducteurs. Ce n’est pas un inconvénient pour les circuits logiques mais un réel problème pour les composants de puissance. Un transistor MOS-FET de puissance est ainsi constitué de millions de petits transistors élémentaires mis en parallèle. C’est quand même fiable mais pas très élégant. Un tube électronique très puissant a forcement un grand volume. Pour avoir des électrons rapides, on sait augmenter jusqu’à des dizaines de milliers de volts les tensions grâce à l’isolement apporté par le vide. Les semi-conducteurs de trop grandes dimensions sont lents et tendant à se casser en raison des dilatations thermiques différentielles.
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Actifs tubes
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La première génération des composants actifs est celle des composants à effet thermo-ionique où un flux d’électrons émis par un métal chauffé (cathode) est modulé par l’effet de champ produit par des électrodes de commande appelées grilles portées à certains potentiels. Ce courant modulé est recueilli par une électrode collectrice portée au potentiel le plus positif appelée plaque et qui est amenée à dissiper l’essentiel de la puissance du tube. Ces composants fonctionnent dans le vide, le mot tube vient de la forme de ces composants ; c’est pourquoi ces composants sont souvent appelés ''tubes à vide'' bien que l’expression plus correcte soit ''tube électronique''. En augmentant la taille des électrodes et en améliorant le refroidissement par de l’eau, on peut obtenir des tubes de grande puissance avec des dissipations de centaines de kW. Cette génération a eu pour pionniers Edison, Flemming et Lee de Forest. Presque tous les montages électroniques que nous connaissons ont d’abord été mis au point avec des tubes. L’apport essentiel des semi-conducteurs est la miniaturisation qui dans un cercle vertueux a permis la réduction de dissipation et l'augmentation des vitesses de fonctionnement. Tout est parti de l’œuf électrique bien nommé avec ses décharges lumineuses dans un vide d’air partiel. Cet œuf a permis de découvrir l’électron et peut-être de soigner des maladies de peau. En augmentant les tensions, on obtint les premiers tubes générateurs de rayons X. Le contrôle des champs électriques par des électrodes diverses permit de domestiquer l’électron. Ainsi : -2 électrodes donnent la diode redresseuse, -3 électrodes donnent la triode amplificatrice à faible résistance interne et avec l’inconvénient d’une capacité grille plaque qui doit être compensée dans les montages haute fréquence. -4 électrodes donnent la tétrode amplificatrice à forte résistance interne. La grille supplémentaire : la grille écran réduit la capacité parasite grille / plaque. Cependant l’émission secondaire de la plaque produit un effet de résistance négative ‘’dynatron’’ qui peut entretenir des oscillations. -5 électrodes donnent la penthode amplificatrice à forte résistance interne. La 5ième électrode étant la grille suppresseuse de l’effet d’émission secondaire. -6,7,8 électrodes donnent l’hexode, l’heptode, l’octode. Ces électrodes supplémentaires permettent une seconde modulation du courant d’anode et de réaliser des fonctions de mélangeur, contrôle de gain et autres fonctions non linéaires. En appliquant un champ magnétique qui courbe les trajectoires des électrons, on peut exciter des résonances de cavité dans la gamme des hyperfréquences, c’est le magnétron toujours utilisé pour réchauffer le café et guider les avions avec les radars. En laissant un gaz sur la trajectoire des électrons, on peut y déclencher des arcs électriques laissant passer des courants importants. Ce sont les thyratrons, les ignitrons, les redresseurs à vapeur de mercure capables d‘alimenter des locomotives. En interposant des grilles hélicoïdales parcourues par des signaux hyperfréquences sur le trajet des électrons on peut amplifier ces signaux : Ce sont les tubes à ondes progressives T;O;P utilisés en amplification hyperfréquence. Avec la modulation de vitesse on obtient les klystrons. Lorsque la cible des électrons est un matériau phosphorescent, il y a émission de lumière. On obtient ainsi les tubes cathodiques des oscilloscopes et ceux des téléviseurs. Vaste et lumineuse application. Au contraire on peut avoir émission d’électrons par absorption de lumière c’est l’effet photoélectrique des cellules photoélectriques qui a permis le cinéma parlant à la fin des années 1920.C’est un effet purement quantique dont l’interprétation donna le prix Nobel à Einstein en 1921. De nos jours, les cellules photoélectriques avec des dynodes multiplicatrices utilisant l’effet secondaire permettent de compter les photons 1 à 1 et de mener au fond des océans des expériences de physique fondamentale.
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Cartes electroniques
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Les cartes électroniques sont des assemblages de composants sur un circuit imprimé réalisant tout ou partie les fonctions d’un appareil. Dans le monde de l’informatique ou des télécommunications la hiérarchie est claire : Le niveau le plus élevé est le réseau qui est un ensemble de centres informatiques interconnectés. Dans un centre, on regroupe les baies ou les armoires en travées. Les baies regroupent en un empilage vertical des châssis ou des bacs à cartes. Très souvent un châssis contient une grande carte sur laquelle se raccordent des cartes d’extension réalisant des fonctions bien précises et pouvant s’échanger ou être rajoutées facilement ceci afin de faciliter la maintenance et l’amélioration des performances. Cette grande carte est appelée carte mère dans les PC ou carte fond de panier dans les baies. Les cartes électroniques sont dédiées à des fonctions précises. Ainsi dans un PC on aura : · La carte vidéo pour l’affichage · Les cartes modems ou les cartes réseau pour les liaisons · La carte processeur · La carte mémoire · La carte son. Etc. L’alimentation secteur pour des raisons de sécurité lors des opérations de maintenance est logée dans un boîtier blindé à part. Pour augmenter la compacité, on peut regrouper sur une seule carte toutes les fonctions d’un PC ; c’est le cas des téléphones portables, des PC portables. Dans les appareils grand public comme la télévision, la réduction des coûts fait regrouper toutes les fonctions y compris l’alimentation sur une seule carte.
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Hyperfrequences
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Ces composants occupent la bande de fréquence entre 1 GHz et 1000 GHz (TeraHerz) soit une longueur d'onde entre 30 cm et 0,3 mm. L'utilisation principale est la détection et le positionnement par radars, le chauffage à 2450 MHz dans les fours domestiques à micro-ondes. Les autres applications sont la télévision directe par satellites, la téléphonie portable, les faisceaux hertziens, les faisceaux de particules pour la recherche scientifique, la fusion thermonucléaire dans les tokamaks. Des recherches sont en cours pour créer des faisceaux très intenses capables de détruire les électroniques adverses lors de campagnes militaires. Le composant hyperfréquence emblématique est le vénérable magnétron datant des années 1930 et qui réchauffe les aliments presque partout dans le monde. On trouve aussi des matériaux exotiques en plus du silicium, comme le carbure de silicium, le germanium, l'arséniure de gallium, le nitrure de gallium, les barrières de métaux / silicium pour les contacts de Schottky. A ces fréquences, l'énergie est transmise difficilement par les câbles, d'où les développements de l'optique hyperfréquences avec les guides d'ondes, les paraboles, les cornets, les lentilles etc.
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Passifs
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Ces composants à la différence des composants actifs n’ont pas de fonction d'amplification linéaire. Par contre, ils ont un rôle très important pour le filtrage des signaux grâce aux composants réactifs ; capacités et inductances dont l’impédance varie en fonction de la fréquence. Une capacité a une impédance qui diminue avec la fréquence pour se rapprocher du court circuit ; l’inductance a un comportement inverse et a une impédance qui augmente avec la fréquence pour de rapprocher du circuit ouvert. C’est grâce à ces composants que les techniques de la radio ont pu se développer. Et c’est l’association de plusieurs bobinages sur un circuit magnétique qui constitue un transformateur ; c’est toujours le composant de base de la distribution de l’électricité. Les relais électromécaniques ont été les premiers composants logiques et ont fait fonctionner les premiers ordinateurs et centraux téléphoniques automatiques. Les moteurs électriques si répandus ne sont qu’une variante de circuits magnétiques déformables. Les composants réactifs sont aussi capables de stocker de l’énergie, ce qui permet de compenser les pertes dans les résistances. Les composants passifs sont les résistances et ils dissipent la puissance électrique par effet Joule. Une de leurs principales fonctions est la fonction diviseur de tension ; ce qui permet d’obtenir un effet de dosage de tension avec les potentiomètres. En association avec des capacités et des amplificateurs opérationnels, on arrive avec des montages à résistances à obtenir tous les effets de filtrage que l’on savait réaliser avec des montages uniquement à composants réactifs.
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Electromecaniques
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L'électromécanique, c'est l'art d'utiliser l'électricité pour exercer des forces dans les moteurs ou de convertir des forces en électricité avec des alternateurs ou des génératrices. Vieux rêve de l'humanité devenu réalité : l'esclave mécanique inusable, obéissant instantanément à la volonté de l'homme. Sans moteurs électriques : pas de mémoires de masse informatiques : disques dur immobiles. Ni rotation du disque, ni positionnement de la tête de lecture. Pas de sauvegarde sur bande magnétique : car pas d'entrainement de la bande. Pas de ventilateurs assurant le refroidissement des processeurs et des alimentations. On a maintenant des voitures intégralement électriques qui utilisent des moteurs électriques de propulsion, les voitures thermiques utilisent des moteurs électriques pour le démarrage, les essuies-glaces, les lève-vitres, le conditionnement d'air etc. Les moteurs électriques sont de parfaits utilisateurs des énergies renouvelables. Leur limitation actuelle est leur puissance massique plus faible que celle des moteurs thermiques comme les turbines à réaction et la difficulté de stocker l’électricité. La puissance massique des batteries est encore plus faible que celle des carburants. L’avion électrique long courrier fiable quelque soit la météo va encore rester à l’état de prototype un certain temps. La théorie de l’électromécanique est une application de l’électromagnétisme. Dès les années 1820, Laplace a mis en évidence qu’un champ magnétique exerce une force sur un circuit parcouru par un courant. Lorentz a montré que cette force vaut au maximum FLorentz = I.L.B avec I = Courant en A L = longueur du conducteur immergée dans l’induction magnétique B B en Teslas : T Ampère démontra qu’un courant I produit un champ magnétique H. C’est la forme intégrale de la loi de Biot et Savart H = I / 2. Pi . R H en A / m I = Courant en A B = 4. PI. .10^-7. H Ampère inventa aussi l’électro-aimant : Concentration de l’induction B par du matériau ferromagnétique ; à l’époque le fer doux. L’aventure industrielle des moteurs électriques débute vers les années 1870 avec le mécanien Belge Gramme. Le collecteur avec ses balais permet d’obtenir une machine réversible : fournissant du courant en mode dynamo et en l’absorbant en mode moteur. Le courant alternatif polyphasé qui possède la merveilleuse propriété de passer à travers les transformateurs pour changer sa tension a apporté une énorme simplification des moteurs électriques. Le champ magnétique tournant n’a plus besoin d’être créé par des commutations compliquées dans le collecteur, c’est le réseau électrique alternatif qui le contient. On sait réaliser des alternateurs produisant des puissances de 1600 MW (centrales nucléaires) et des moteurs électriques de 20 MW (Propulsion «électrique des navires). Les électro-aimants ont donné lieu à la naissance des relais électro-mécaniques : interrupteurs actionnés par des électro-aimants. C’est le premier composant logique. Les centraux téléphoniques automatisés ont utilisé les relais à partir des années 1910. Dans les années 1940, les relais ont permis de construire les premiers ordinateurs (Conrad Zuse ; 1 multiplication en 4 secondes) qui ont été rapidement supplantés par ceux réalisés par de l’électronique à tubes à vide.
On distingue les composants actifs qui ont les fonctions nobles d’amplifier, de mélanger, de commuter, des composants passifs qui sont néanmoins nécessaires comme réserve d’énergie, absorbeurs d’énergie, filtre, résonateurs. Il faut la tête et les jambes.
Dans certains cas, on peut avoir des comportements hybrides : faire jouer un rôle de composant actif à un composant passif et vice-versa.
Les matériaux magnétiques qui servent normalement de réservoir d’énergie magnétique dans les composants passifs que sont les selfs peuvent en raison de leur caractéristique de saturation se comporter comme des interrupteurs. C’est le principe des amplificateurs magnétiques.
Un transistor à effet de champ peut se comporter comme une résistance que l’on peut ajuster par une tension. Ce principe est utilisé pour réguler en amplitude les oscillateurs à pont de Wien.
Un composant actif est un composant qui est capable de multiplier un signal par un coefficient constant. C’est la fonction amplification idéale qui a été la première recherchée.
Elle a permis d’améliorer la sensibilité des récepteurs radio, d’écouter sur haut-parleur les faibles signaux que l’on entendait sur casque, et d’augmenter la puissance des émetteurs radio. L’autre fonction très importante est le comportement non-linéaire du type redresseur ou diode qui permet d’enrichir le spectre présenté à l’entrée. C’est le principe des mélangeurs de fréquence qui permettent les transpositions de fréquence et le fonctionnement de tous les récepteurs de radio. Une amplification poussée au maximum produit des écrêtages et un enrichissement du spectre comme avec les diodes et on aboutit au fonctionnement en commutation comme avec un interrupteur ouvert ou fermé ; c’est la base des circuits logiques et de l’informatique.
Deux générations entièrement différentes de composants actifs se sont succédées.
La première génération est celle des composants à effet thermo-ionique où un flux d’électrons émis par un métal chauffé est modulé par l’effet de champ produit par des électrodes portées à certains potentiels. Ce courant modulé est recueilli par une électrode collectrice portée au potentiel le plus positif appelée plaque et qui est amenée à dissiper l’essentiel de la puissance du tube. Ces composants fonctionnent dans le vide. En augmentant la taille des électrodes et en améliorant le refroidissement par de l’eau, on peut obtenir des tubes de grande puissance avec des dissipations de centaines de kW. Cette génération a eu pour pionniers Edison, Flemming et Lee de Forest.
La deuxième génération a été développée aux Etats-Unis pendant la seconde guerre mondiale et a abouti en 1948 à la mise au point aux laboratoires Bell des composants à semi-conducteurs.
Tout y repose sur les propriétés de semi-conducteurs du type germanium, silicium, arséniure de gallium où une petite proportion de dopants leur donne un caractère P ou N. Les associations de zones P et N donnent les diodes , transistors, thyristors etc.
Dans les transistors bipolaires à jonctions PNP ou NPN, l’effet d’amplification est obtenu en associant des couches de semi-conducteurs de différentes épaisseurs et de différents dopages. Le résultat est qu’avec un petit courant de contrôle entre une source appelée émetteur et une couche de contrôle appelée base on arrive à contrôler un courant 100 fois plus grand passant directement de l’émetteur vers le collecteur. Ces transistors avec une commande par un courant ne se trouvent plus que dans quelques niches d’application spécifiques comme les tensions de service >1000V. La très grande majorité des transistors existant maintenant et surtout dans les composants logiques comme les micro-processeurs et les mémoires sont du type commande en tension par un effet de champ. Ce sont les transistors Metal Oxyde : MOSfet. La grille de commande crée un canal conducteur entre une source et un drain. L’avantage de ce principe est possibilité de miniaturisation, les faibles courants de commande et de fuite et la réduction des tensions d’alimentation. On arrive à ainsi intégrer des dizaines de millions de transistors sur moins d’un cm2.
Un composant actif très particulier pourtant ancien n’arrive pas à être supplanté par les composants actifs : ce sont les relais électromécaniques. Ils se composent d’un interrupteur mis en mouvement par un électro-aimant. Ces composants n’ont pas de limitation en tension et en courant pouvant être interrompu tandis que les semi-conducteurs sont limités aux environs de 3000 V en tension et de 3000 A en courant. On peut toujours réaliser des associations série-parallèle pour augmenter les tensions et courants mais la commande synchronisée des composants devient un usine à gaz...
Dans le même ordre d’idée, on a les interrupteurs à plasma : un gaz qui devient conducteur par ionisation en avalanche par effet de champ. Ce sont les parafoudres à gaz qui peuvent contrôler des dizaines de milliers d’ampères.
Un composant passif est un composant capable de stocker de l’énergie, de la dissiper, ou d’y changer le rapport tension/courant :
Si le stockage se fait dans un volume de matériau magnétique : c’est la définition de la self L ; l’énergie stockée est E = ½ x L x I^2 avec I = courant traversant la self.
Si le stockage se fait dans un volume de matériau diélectrique : c’est la définition de la capacité C. L’énergie stockée est E = ½ x C x V^2 avec V = tension appliquée.
L’intérêt des composants de type self et capacité est leur relation entre tension et courant qui varie en fonction de la fréquence F d’où leur intérêt pour réaliser des filtres en fréquence.
Dans une capacité : I = V x C x 2 x 3.14 x F
Dans une self : I = V / ( 2 x 3.14 x L x L)
De plus la tension et le courant sont déphasés de 90°. La caractéristique remarquable de ces composants dits réactifs est se laisser traverser par des courants sans échauffement à la différence des résistances.
Un composant qui dissipe de l’énergie est une résistance : Loi d’Ohm : V = R x I avec V = tension aux bornes de la résistance R parcourue par le courant I.
Le composant qui change le rapport entre la tension V et courant I est un transformateur. La puissance P = V x I y est conservée. Il est réalisé avec des bobinages ayant des nombres de spires différents enroulés sur le même circuit magnétique. Le bobinage qui reçoit la puissance est appelé primaire P = Vprimaire X Iprimaire, celui qui restitue la puissance après transformation est appelé secondaire. P = Vsecondaire x Isecondaire . Les relations du transformateur sont
P = Vp x Ip = n Vp x Ip/n avec n = rapport de transformation = Vs / Vp = Ip / Is = Nombre de spires du bobinage secondaire / Nombre de spires du bobinage primaire.
Et Zp = Vp / Ip et Zs = Vs / Is avec Zs = n^2 x Zp.
TOUS les appareils utilisant la tension du secteur 230V alternatif utilisent un ou plusieurs transformateurs pour abaisser cette tension en une plus basse tension comme par exemple 12V pour alimenter un poste de radio à transistors.