Elt fondamental

Cours d ’électronique analogique ESIL – Filière Matériaux Licence de Physique et Applications Prof. François ARNAUD d ’AVITAYA CRMCN 13288 MARSEILLE cedex 9 Tél : 04 91 17 28 08, Fax: 04 91 41 89 16

Email :davitaya@crmcn.univ-mrs.fr http://www.crmcn.univ-mrs.fr/electro

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Cours d ’électronique analogique

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Cours d ’électronique analogique

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CONTENU (1) • Rappels de généralités – Résistance et Loi d ’Ohm • Conduction d ’un métal

– Lois de Kirchhoff • Loi des mailles • Loi des nœuds

– Sources de tensions et de courant • • • •

Parfaites Réelles Résistance de source, de charge Adaptation de résistance (d’impédance)

– Principe de SUPERPOSITION – Théorème de THEVENIN

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– Théorème de NORTON – Les trois composants passifs fondamentaux • Résistance • Inductance (self) • Capacité

– Un composant très utilisé : • le transformateur

– Signaux périodiques • Régime sinusoïdal et réponse fréquencielle – Diagrammes de BODE – Un exemple: le circuit RLC ou circuit oscillant • Régime transitoire et permanent et réponse temporelle • Analyse de FOURIER 3

CONTENU (2) • Le Dipole

– Le quadripole en dynamique

– Définition – Régime statique et courbe caractéristique • Notion de résistance différentielle • Dipoles à résistance différentielle négative

– Régime dynamique • Exemple de la capacité et de la self

• Le Quadripole – Définition – Le quadripole en statique • Caractéristiques • Point de polarisation d ’un quadripole

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• Cas des signaux de faible amplitude et de basse fréquence • Notation matricielle • Association de quadripoles – – – – –

Série Parallèle Série-parallèle Parallèle-série Cascade

• Cas des signaux de haute fréquence

– Le quadripole en régime sinusoïdal • Utilisation du quadripole • Superposition du signal à la polarisation • Extraction du signal traité 4

CONTENU (3) – Grandeurs caractéristiques d ’un quadripole en fonction des paramètres hybrides – Notion d ’impédance caractéristique (ou itérative) – Bande passante

• Notion de trou • La conduction dans un SC intrinsèque

– Dopage des semiconducteurs • • • •

• Les Semiconducteurs – Rappels • De l ’atome à la molécule et au cristal • Notion de structure de bande • Différence entre un métal et un isolant • Statistique de FERMI-DIRAC • Qu ’appelle-t-on semiconducteur (SC)?

– Durée de vie des porteurs – Longueur de diffusion des porteurs

• La jonction PN

– Conduction électrique dans les semiconducteurs

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Le semiconducteur extrinsèque ?

Dopage de type n Dopage de type p Conductivité d ’un semiconducteur extrinsèque

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– La jonction PN à l ’équilibre – La jonction PN polarisée • Polarisation directe • Polarisation indirecte • Tension de rupture 5

CONTENU (4) • Capacités de la jonction PN

– Les approximations de la diode – Utilisation des diodes • Redressement – Mono-alternance – Bi-alternance • Filtrage • Autres applications

– Les réseaux de caractéristiques du transistor bipolaire – Le transistor idéal !

– Principe de l ’amplification par transistor • Quelques recommandations

– Le transistor en dynamique - schéma équivalent • Signaux de faible amplitude et de faible fréquence • Comportement à haute fréquence schéma de giacoletto

• Le transistor bipolaire – Définition – Le transistor bipolaire à l’équilibre – Le transistor bipolaire polarisé • Principe du fonctionnement

– Les représentations du transistor

– Les limites du transistor bipolaire – Le bilan de puissance - quelques grandeurs caractéristiques – Problèmes liés à la puissance (à la température) • Stabilisation du transistor

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CONTENU (5) – Les trois montages amplificateurs

– Les bilans de puissance des différentes classes

fondamentaux • Montage émetteur commun • Montage base commune • Montage collecteur commun

• Réaction, contre-réaction – La contre-réaction (CR) comme moyen de stabilisation

• Les classes d’amplification

• • • •

– Classe A • Petits signaux • Forts signaux • Un exemple de montage de puissance en classe A : le montage Darlington

– Classe B (AB) • Le montage push-pull • Notion de miroir électronique

Ce que l’on gagne Ce que l’on perd Ce qui est nécessaire Les différents modes de CR – – – –

Série Parallèle Série-parallèle Parallèle-série

• Un montage utile: l ’amplificateur différentiel

– Classe C

– Montage de base et équations – Améliorations

• Amplificateur accordé 11/09/01

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CONTENU (6) • L’amplificateur opérationnel – – – –

Qu’est-ce que c’est ?

L’amplificateur opérationnel idéal L’amplificateur opérationnel réel Les différents montages • Avec contre-réaction • Avec réaction positive

• Les transistors à effet de champ (FET) – Le FET à jonction

• Grille court-circuitée • Grille polarisée • Le point de polarisation d ’un FET à jonction

– Le MOSFET (« Metal Oxide Semi-conductor FET- FET à grille isolée) • Les deux fonctionnement

régimes

de

– La déplétion – L ’enrichissement

– Le FET à grille isolée et à régime d ’enrichissement seul

• Canal n • Canal p

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– Fonctionnement du FET

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CONTENU (7) • Polarisation des FET – FET à jonction • Polarisation automatique • Polarisation par source de courant

– MOSFET – FET à grille isolée et à enrichissement seul

• Diode Schockley – Structure du composant – Caractéristiques – Equivalent à transistor

• Thyristor – La suite logique de la diode Schockley

• Amplification des FET – Montage source commune – Montage drain commun – Montage grille commune

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Rappels de généralités • Résistance et Loi d ’Ohm – La résistance est, avec la capacité et la self, l ’un des trois éléments passifs clefs de l ’électronique. La résistance est constituée d ’un matériau conducteur dont on fait varier la section et la longueur de telle manière à l ’adapter à la valeur désirée.

E METAL

r r F =−eE

+ Vcc

Cependant il y a des chocs avec les ions du réseau ce qui se traduit par un échauffement (effet Joule).

La vitesse des électrons, v, est alors donnée par: où µ est la mobilité .

r r V =µE

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Résistance et Loi d ’Ohm (suite) S

cm3.

Soit un matériau possédant n charges par Considérons un cylindre de longueur v et de base S

v

v

Le nombre de charges N qui traversent la surface S par unité de temps est donné par: N = Svn = SµEn Le courant qui circule est donc égal à : I = Ne = SµEne (où e est la charge de l'électron = 1.6 10-19C I = SµEne= SγγE où γ = µen est la conductivité Comme

E= = Vcc l

en posant =

(l, longueur du cylindre de métal), il vient :

1 = γS. R l

La résistivité ρ est donnée par : ρ= 11/09/01

1 γ

et donc :

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I=γSVcc =Vcc l R Loi d ’Ohm

R =ρ l S 11

Résistance et Loi d ’Ohm (suite) • L ’élément Résistance •

Se présente, à l ’exception de modèles de puissance, sous la forme d ’un cylindre pourvu de connexions à ses deux extrémités et sur lequel on peut voir généralement 4 (parfois 5) zones colorées comme sur la figure suivante C B A Pour la tolérance :

Tolérance

{

Couleur ARGENT: 10% Couleur OR:

5%

Valeur

Chaque couleur est associée à un chiffre. La table suivante donne les correspondances couleur-chiffre Noir Marron Rouge Orange Jaune

0 1 2 3 4

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Vert Bleu Violet Gris Blanc

5 6 7 8 9

La lecture de la valeur se fait de la manière C suivante:

Valeur = AB.10

Ainsi dans l ’exemple ci dessus, la valeur est: 1

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47.10 = 470Ω 12

Résistance et Loi d ’Ohm (suite) • L ’élément Résistance (suite) Toutes les valeurs n’existent pas. Les valeurs normalisées sont les suivantes:

1

2,7

6,8

1,2

3,3

8,2

1,5

3,9

10

1,8

4,7

2,2

5,6

Bien sûr il suffit de multiplier par la puissance de dix appropriée pour trouver l’ensemble des résistances normalisées existantes.

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Lois de Kirchhoff Loi des mailles ∑ tensions = 0 maille

r r d ∫C Edl =− dt ∫∫S BdS

Justification physique

∫ Edl =0

C 6

7

5 4

3

S 1

C

2

(Tension = différence de potentiel [ddp])

0

E =− gradV 2

3

1

1

2

7

∫ Edl =∫ Edl +∫ Edl +...+ ∫ Edl

C

=V2−V1+V3−V2+...+V1−V7=0

∑ tensions = 0

maille 11/09/01

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Lois de Kirchhoff • Loi des mailles (suite) – Dans un circuit uniquement constitué de résistances et de générateurs de tension, la loi des mailles devient: V2

R1

I

N

R2

V1

∑ ddpgénérateurs= ∑RnI n=1

Circuit R3

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V3

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Lois de Kirchhoff Loi des nœuds

∑courants=0

Sfermée

Conservation de la charge Volume enfermé par la surface S Q : charge à l ’intérieur de ce (J densité de courant à travers S) volume

Q

dQ ≈0 dt

Si on considère de petites variations de courant

dQ + JdS=0 dt ∫∫S

∫∫JdS=0 S

∑courants=0

Sfermée 11/09/01

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Générateurs de tension et de courant • Représentation des générateurs Générateur de tension

U

Caractéristique idéale

I

La tension est indépendante du courant débité donc la résistance interne est nulle Rext

VR =VSource ext

Démonstration

Rint Rext VSource

Générateur de courant

Rint +Rext

Si Rint <<Rext alors VRext = VSource Si on veut VRext = VSource ∀ I, il faut Rint=0 U

Caractéristique idéale

Le courant est indépendant de la tension appliquée I 11/09/01

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Générateurs de tension et de courant •En résumé: –Un générateur de tension idéal a une résistance interne nulle –Par un raisonnement identique on peut démontrer qu’un générateur de courant idéale doit avoir une impédance interne infinie.

–Une source de tension réelle aura une résistance interne faible mais non nulle –Une source de courant réelle aura une résistance interne grande mais non infinie

C’est cette résistance interne que l’on désignera par la suite sous le terme de Résistance de source De même, le récepteur branché sur la source est essentiellement caractérisé par sa résistance interne. On dit alors que l ’on charge le générateur (la source) par le récepteur. Par extension tout récepteur sera assimilé à sa résistance interne et sera désigné par le terme de Résistance de charge.

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Générateurs de tension et de courant • Adaptation d ’impédance I=

V0 R S + R Ch

R Ch .V02 P = R Ch .I = (R S + R Ch )2

RS

2

RCh

∂P V02 .(RS + RCh ) 2 − 2.R Ch V02 .(R S + RCh ) = ∂R Ch (R S + R Ch )4

V0

V02 .(RS + RCh ).(R S − R Ch ) ∂P = 4 ∂R Ch (R S + RCh ) La puissance P est donc maximum si:

C ’est à dire si: 11/09/01

R Ch = R S Cours d ’électronique analogique

∂P =0 ∂R Ch

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Principe de superposition Soit un circuit renfermant un certain nombre de générateurs (continus ou alternatifs de même fréquence ou de fréquences différentes).

Le courant qui traverse une branche quelconque du circuit est la somme des courants fournis par chacun des générateurs pris isolément, les autres générateurs n'étant présents dans le circuit que par leurs résistance (impédance) interne.

V2

R1

I

R2

V1

I1

=

R2

V1

R3

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V3

R3

R1

+

I2

R1

I3

V2

R2

R3

Cours d ’électronique analogique

R1

+

R2

R3

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V3

Théorème de Thévenin Considérons un circuit comportant plusieurs générateurs à la même fréquence et divers éléments passifs (résistances, condensateurs, inductances).

Ce circuit complexe peut être remplacé par un circuit ne comportant qu'un seul générateur de tension et une seule impédance en série avec ce générateur.

Cette impédance est appelée impédance de Thévenin et le générateur de tension générateur de Thévenin (on parlera aussi de tension de Thévenin).

Le calcul de la tension de Thévenin fait souvent appel au théorème de superposition.

Le calcul de la résistance de Thévenin se fait en annulant les sources.

Si les générateurs sont idéaux: •Annuler un générateur de tension revient à le remplacer par un court circuit •Annuler un générateur de courant revient à la remplacer par un circuit ouvert

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Théorème de Thévenin (suite) R + -

A I

E B

Calcul de la tension de Thévenin VR = RI VTh = E + RI Circuit équivalent de Thévenin:

A + -

RTh VTh = E+ RI B

A

R

Pour avoir RTh on annule les sources: B

RTh = R 11/09/01

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Théorème de NORTON •

On considère le circuit de Thévenin débitant dans une résistance (impédance) RC (ZC). + -

RTh

I

VTh

A Rc B

Théorème: Le générateur de Thévenin (qui est un générateur de tension) peut être remplacé par un générateur de courant à condition de brancher l'impédance de Thévenin en parallèle sur la charge.

V Th Démonstration:Calculons le courant qui circule dans (1) I= R Th + R C Mettons en court circuit les points A et B

IN =

V Th R Th

I=

I N.R TH R Th + R C

IN.RTh.RC VAB = RC.I = (RTh +RC)

In = Vth/Rth

RTh

Rc B

RTh et RC sont donc bien en parallèle.

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A

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Exemple d’utilisation des théorèmes précédents • Soit le circuit suivant A

R1 V2

V1

R2

R4

R3

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Cours d ’électronique analogique

B

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Exemple (suite) Le théorème de superposition permet la simplification suivante:

R1

I2

I V1

R2

B

V1 I= R 2.(R 3+R 4) R1+ R 2+R 3+R 4

I1 =

Rc

R4 R3

I = I 1+I 2

I'=

A

I1

+

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R1

I'

A

V2

R2

(R 4+R 3).I 1 = R 2.I 2 R 2.I R 2+R 3+R 4

V2 R1.R2 +R3+R4 R1+R2

R4 R3

Rc B

Superposition ----> Tension de Thévenin : VTh=R4(I1+I’) Cours d ’électronique analogique

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Exemple (suite) R1

• Résistance de Thévenin V1

R1.R2 R1+R2 R1

R4 R3

R2

B

R4( R1.R2 +R3) R1+R2 RTh = R4+( R1.R2 +R3) R1+R2

R4

B RTh

A

VTh

Cours d ’électronique analogique

A

In

RTh

Rc

B

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R2

A

R3

NORTON

A

V2

IN = VTh RTh

Rc

B

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Les trois composants passifs fondamentaux • La résistance – Loi d’Ohm: u(t)=R.i(t) (u(t) en Volt, R en Ohms - Ω -, i(t) en Ampères).

– Puissance: p(t)=u(t).i(t)=R.i2(t) – Variation de la résistance d’un conducteur avec la température (en K):

R=R0(1+α(T−T0)) • R0 : Résistance à la température T0 • Α : coefficient thermique (en K-1)

• La self B V 11/09/01

Si V = v(t) variable dans le temps, B, le champ d’induction magnétique l’est aussi

Self-induction Cours d ’électronique analogique

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Les trois composants passifs fondamentaux • La self (suite) Le flux d’induction magnétique est donné par:

Φ (t)=∫∫B(t)dS S

Ici, S est la surface sous-tendue par le conducteur et dS un élément de cette surface Le coefficient de self-induction, en HENRY, est donné par:

L(t)=

Φ (t) i(t)

I(t) est le courant générant le champ d’induction magnétique, B(t) et par conséquent le flux d’induction magnétique Φ(t).

•

Caractéristique courant-tension d’une self, L •La caractéristique courant-tension d’une self (constante) est donnée par:

u(t)=L. 11/09/01

di(t) dt

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Les trois composants passifs fondamentaux • La self (suite) – Energie accumulée Elle vaut:

E(t)= 1 L.i2(t) 2

– Symbole de la self

– Calcul d’une self bobinée (solénoïde)

µN2S L= l

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l : longueur en mètres du solénoïde S : section en mètres carrés N : nombre de spires de la self bobinée µ : permittivité du milieu en VsA-1m-1

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Les trois composants passifs fondamentaux • La Capacité (condensateur) Egalité des charges positives et négatives

+ -

+ + + + -

Q C= = V

Q : charge positive stockée exprimée en Coulomb V : ddp aux bornes du système

La capacité C est exprimée en Farad (F)

•Caractéristique courant-tension de la capacité

dQ(t) dCV(t) dV(t) i(t)= = =C dt dt dt

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Cours d ’électronique analogique

soit :

T 1 v(t)= ∫ i(t)dt C0

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Les trois composants passifs fondamentaux • La capacité (suite) – Energie accumulée

Elle vaut

E(t)=1.C.v2(t) 2

– Symbole de la capacité

– Calcul d’un condensateur plan

S

S

S surface des plaques en m2 d distance entre plaque en m ε constante diélectrique en AsV-1m-1

d 11/09/01

C=ε.S d

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Le transformateur • Symbole V2(t) n2 spires

V1(t) n1 spires • Relation entre entrée et sortie

V2(t)=V1(t).n2 n1 11/09/01

Cours d ’électronique analogique

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Le transformateur • Puissances et adaptation d’impédance Rentrée ?

VE

VS

Puissance en sortie

Rcharge Puissance en entrée

2 2 V V S E PSortie= = RCharge RCharge( n1 )2 n2

2 V PEntrée= E Rentrée

PEntrée = PSortie

Rentrée=( n1 )2.Rsortie n2 11/09/01

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Signaux périodiques • Généralités

Signal périodique

v(t)

Tension crête à crête

T •Fréquence :

f= =1 T

t Composante continue Valeur moyenne :

Vmoyen = 1 ∫ v(t)dt TT C’est la composante continue

Tension efficace : 11/09/01

Vefficace =

1 .∫ v2(t)dt T T

Cours d ’électronique analogique

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Signal sinusoïdal • Dans le cas d ’un signal sinusoïdal la tension peut s’exprimer de manière générale par : V0 : amplitude du signal sinusoïdal

v(t)= v0.sin(ωt+φ)

Fréquence :

f= ω 2π

Tension crête à crête :

vcàc=2.v0

Valeur moyenne :

vmoy =0

Valeur efficace :

Vefficace= v0 2

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Cours d ’électronique analogique

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Signal sinusoïdal i(t)

• Représentations – Représentation de Fresnel

φ

u(t) ωt

– Si v(t)=v0sin(ωt) alors de manière générale i(t)=i0.sin(ωt+φ)

C

R

v(t) i(t)

i(t) est en phase avec v(t)

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i(t)

L

i(t) est en avance de π/2 sur v(t)

v(t)

i(t) est en retard de π/2 sur v(t)

v(t) Cours d ’électronique analogique

i(t) 36

Signal sinusoïdal • Notation complexe v(t) = v0ej (ωt+φ) v(t)=v0.cos(ωt+φ) v(t) = vcomplexee jωt • La loi d’Ohm peut se généraliser sous la forme

: v(t) = Z.i(t)

où Z est appelée l’impédance complexe • Si i(t) =i0ejωt on peut calculer l’impédance complexe des trois éléments fondamentaux que sont la résistance, la self et la capacité, soit :

Résistance

v(t)=R.i(t) 11/09/01

Self

Capacité

di(t) v(t)=L. = jωL.i0ejωt dt

v(t)= 1 ∫i(t)dt= 1 i 0ejωt C jCω

v(t)= jLω.i(t)

v(t)= 1 .i(t) jCω

Cours d ’électronique analogique

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Réponse fréquentielle •Considérons un circuit composé de résistances, selfs et capacité (nous traiterons plus loin le cas général des quadripoles).

Ventrée

Circuit

Vsortie

Ce circuit est attaqué par un signal sinusoïdal d’entrée, ventrée(t)= vinsin(ωt).

On obtient alors en sortie un signal vsortie(t) = voutsin(ωt+φ) .

On peut donc étudier la réponse du circuit, c’est à dire étudier la transformation, par le circuit, du signal d’entrée – Soit en amplitude – Soit en phase (diagramme de BODE)

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Cours d ’électronique analogique

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Réponse fréquentielle •On définit ainsi : G= =

– Gain du système :

Signalsortie Signalentrée

– Les signaux d’entrée et de sortie peuvent être des tensions, des courants ou des puissances • Dans ce dernier cas on utilise généralement le décibel (dB) dont la définition est:

G=10.Log( Psortie ) Pentrée •Comme :

2 Vsortie Psortie= Rsortie

Gain en puissance

2 Ventrée Pentrée= Rentrée

et que

Alors si Rsortie = Rentrée on peut définir un équivalent pour les tensions et le gain devient alors: Vsortie

G(dB)=20.Log(

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Ventrée

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)

39

Réponse fréquentielle (suite) • Diagrammes de Bode

6 dB par octave 1er ordre

12 dB par octave 2nd ordre

Phase en degrés

Exemple: circuit RLC

Gain en dB

– Ce sont les diagrammes qui montrent la variation du gain en dB et du déphasage en fonction du Log de la pulsation

11/09/01

Cours d ’électronique analogique

40

Réponse fréquentielle (suite)

Ve= 1 Ve VS = ZC Ve= 1 jωτ+1 R+ZC RjCω+1

• Le circuit RC – Passe-bas

G=

1 jωτ+1

Amplitude :

G=

1 ω2τ2+1

Déphasage :

tgφ=

Im(G) =−ωτ Re(G)

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τ=R.C

Cours d ’électronique analogique

φ=−arctg(ωτ ) 41

Réponse fréquentielle (suite) • Le circuit RC (suite)

VS= R Ve= jωRC Ve= jωτ Ve R+ZC jωRC+1 jωτ+1

– Passe-haut

G=

jωτ jωτ +1

Amplitude :

G=

ωτ ω2τ2+1

Déphasage :

tgφ=

Im(G) 1 = Re(G) ωτ

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φ=arctg( 1 )= π −arctg(ωτ ) ωτ 2

Cours d ’électronique analogique

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Réponse fréquentielle (suite) •Le circuit RLC série: On applique à ce dipole une tension e = eo cos ωt. ω = 0 ---> I = 0 L'impédance du dipole est donnée par :

Z = R + jLω + 1 = R + j (Lω - 1 ) jCω Cω Elle est minimum si :

(Lw - 1 )=0 Cw

Si ω < ωo Si ω > ωo Si ω = ωo

ω=ω0= 1 LC

la partie capacitive l'emporte la partie inductive l'emporte le circuit se comporte comme une simple résistance R 11/09/01

Cours d ’électronique analogique

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Réponse fréquentielle (suite) •Le circuit RLC série: Le module du courant, est donné par :

i=

eo R2+(Lω− 1 )2 Cω

il est donc maximum quand ω = ωo C'est le phénomène de résonance. ωo est appelée pulsation de résonance.

eo = i A la résonance = R Un filtre est caractérisé par la valeur de la fréquence à laquelle il transmet "un maximum", ωo, mais aussi par sa largeur (bande passante). Par définition on choisit de mesurer la largeur lorsque l'amplitude est égale à

maximum 11/09/01

1/√ √2 fois l'intensité du

(Gain = -3dB).

Cours d ’électronique analogique

44

Réponse fréquentielle (suite) On a donc :

soit :

e0 = e0 R 2 R2+(Lω− 1 )2 Cω

R2=(Lω− 1 )2 Cω

Lω− 1 =±R Cω

LCω2−RCω−1=0 LCω2+RCω−1=0

dont on ne considère que les racines positives :

ω1= RC+ ∆ 2LC on a aussi :

ω2= −RC+ ∆ 2LC

ω1−ω2= R et ω1−ω2 = R L ω0 Lω0

On pose généralement

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Q= Lω0 R

et Q est appelé coéfficient de surtension.

Cours d ’électronique analogique

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Réponse fréquentielle (suite) •Circuit RLC (suite) Afin de comprendre le terme Q analysons quelle est la tension aux bornes du condensateur. On a

v=

v=ZCi= i jCω et donc :

e0 Cω R2+(Lω− 1 )2 Cω

La tension aux bornes de la capacité sera maximum quand sera minimum, donc que :

Cω R2+(Lω− 1 )2 Cω

d (Cω. R2+(Lω− 1 )2 dω Cω

R2C On trouve que cette condition est réalisée si : LCω =1− 2L 2

Expression qui devient ………………….

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Cours d ’électronique analogique

46

Réponse fréquentielle (suite) •Circuit RLC (suite) expression qui devient, si on remplace 2 =1− 1 LCωmax 2Q2

1 par ωo et Lω0 par Q R LC

si Q >>1 alors : ωmax = 1 =ω0

LC

A la résonance la tension aux bornes de la capacité est très supérieure à la tension appliquée au circuit.

= e0Lω0 =Qe0 RCω0 R

Dans ce cas on a : v = e0

Si ω = ω0 alors : vself = jLω0e

R

et vself = Lω0e0 =Qe0

vself =Zself .i= jLω

e R+ j(Lω− 1 ) Cω

R

11/09/01

Cours d ’électronique analogique

47

Réponse temporelle On peut distinguer différent régimes de fonctionnement d’un circuit.

Il y a : • Le régime permanent qui correspond au fonctionnement du circuit longtemps après que les signaux ont été appliqués à ce même circuit. Ce que l’on a étudié avant correspond justement à ce régime permanent.

• Le régime transitoire qui correspond à ce qui se passe autour du temps t0 c’est à dire à l’instant où les signaux sont appliqués au circuit et ce jusqu’à ce que l’on ait atteint le régime permanent. Etudier ce régime transitoire revient à résoudre mathématiquement des équations ou des systèmes d’équations différentielles d’ordre 1 ou supérieur.

Cette résolution est grandement facilitée par l’utilisation du calcul opérationnel dont la Transformée de Laplace est un élément essentiel

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Cours d ’électronique analogique

48

TRANSFORMATION DE LAPLACE (Régime transitoire)

f(t)=0

si

t≤0

f(t)≠0

si

t>0

A une fonction f(t) telle que :

on fait correspondre une fonction F(p) où p est une variable complexe. Cette fonction F(p) est appelée la transformée de Laplace de la fonction f(t) et est notée :

F(p)=Lf(t)

ou encore f(t)]F(p) ∞

Cette fonction F(p) est définie comme :

F(p)=∫e−ptf(t)dt 0

11/09/01

Cours d ’électronique analogique

49

TRANSFORMATION DE LAPLACE Propriétés 1.

2.

Si

f(t) = f1(t) + f2(t)

alors

F(p) = F1(p) + F2(p)

La transformée de Laplace F’(p) de f’(t) (dérivée de f(t)) est égale à:

F’(p) = pF(p) – f(0) F’(p) = pF(p) De même F’’(p) = p2F(p) – pf(0) – f’(0) Si f(0) = 0 et f’(0) = 0 alors F’’(p) = p2F(p) Si

f(0) = 0 alors

Plus généralement, si f(t) et toutes ses dérivées jusqu’à l’ordre n s’annulent pour t = 0 alors :

dnf(t) nF(p) ] p dtn

11/09/01

Cours d ’électronique analogique

50

TRANSFORMATION DE LAPLACE Propriétés (suite) Démonstration de F’(p) = pF(p)-f(0) Soit la fonction f’(t). Sa transformée de Laplace est donc par définition: ∞

F'(p)= ∫ e−ptf'(t)dt 0

En utilisant la méthode d’intégration par parties on obtient: −pt ∫ e .f'(t)dt=[e .f(t)]0 − ∫ −pe .f(t)dt=−f(0)+p ∫ e .f(t)dt

∞

−pt

∞ ∞

−pt

0

−pt

0

f'(t) ] p.F(p)

C.Q.F.D

∞ 0

F(p) Par définition transformée de Laplace de f(t)

11/09/01

Cours d ’électronique analogique

51

TRANSFORMATION DE LAPLACE Propriétés (suite) t

t

∫f(s)ds

3. Considérons l’intégrale

(∫f(s)ds=0 pour t=0) 0

0

t

Alors

∫f(s)ds ] 0

F(p) p

Et plus généralement : t

a

F (p ) f ( s ) ds ] − ∫a p

∫f(s)ds 0

Démonstration

f(t) ] F(p)

t

∫f(s)ds ] ϕ(p) 0

Et donc : 11/09/01

t

f(t)= d ∫f(s)ds ] pϕ(p) dt 0

pϕ(p)=F(p)

Cours d ’électronique analogique

52

TRANSFORMATION DE LAPLACE Propriétés (suite) •

Théorème du retard Considérons une fonction f(t) telle que : f(t) = 0 pour tout t < 0

f(t-a)

f(t) Alors :

Lf(t−a) = e−apLf(t) t

Démonstration : Par définition :

∞

Lf(t−a)=∫f(t−a)e−ptdt

Posons :

z = t-a avec a>0

0

Ce qui donne :

∞

∫−af(z)e

−a

11/09/01

∞

dz+∫f(z)e−p(a+z)dz

−p(a+ z)

0

= 0 car f(z)=0 pour zΩ Ω0

∞

=e ∫f(z)e−pzdz=e−apLf(t) 0 −ap

0

dz= ∫f(z)e

−p(a+ z)

Le théorème du retard est très utile pour trouver les transformées de Laplace des fonctions périodiques Cours d ’électronique analogique

53

TRANSFORMATION DE LAPLACE Original f(t)

Transformée F(p)

t

1 p 1 p2

tn

n! pn+1

1 t

π p

1

n entier

Original f(t)

Transformée F(p)

ω

sin ωt

p2+ω2

ω réel

eiωt

1 p−iω

ω réel

e-atcos ωt

p+a (p+a)2+ω2

ω réel

e-atsin ωt

ω (p+a)2+ω2

ω réel

e-at

1 p+a

a réel ou complexe

f(at)

1F(p) a a

te-at

1 (p+a)2

a réel ou complexe

f(t-a)

e−apF(p)

tne-at

n! (p+a)n+1

a réel ou complexe

e-at f(t)

F(p+a)

cos ωt

p p2+ω2

ω réel

11/09/01

Cours d ’électronique analogique

54

TRANSFORMATION DE LAPLACE EXEMPLES 1. Transformée de Laplace d’un échelon

h(t) = - g(t – τ) La fonction échelon f(t) est égale à : f(t) = g(t) – g(t- τ)

En se reportant à la table des transformées de Laplace, il vient: 11/09/01

t<0

g(t) = A

t

A

A

Donc : Lf(t) = F(p) = L{g(t) – g(t- τ)} = G(p) – e- τpG(p)

g(t) = 0

τ τ f(t) = 0 f(t) = A F(t) = 0

t<0 0<t<τ t> τ

t -A h(t) = 0 t< τ h(t) = -A t> τ

Lf(t)=F(p)= A − Ae−τp= A(1−e−τp) p p p

Cours d ’électronique analogique

55

0

TRANSFORMATION DE LAPLACE 2. Transformée de Laplace d’un signal rectangulaire f(t)

A

h(t) = g(t-τ)

τ

F(t) = g(t) – g(t- τ) -A

g(t)

A τ

2τ t -A

h(t)

F(p)=G(p)−e−τpG(p)= A(1−e−τp)(1−e−τp)= A(1−e−τp)2 p p

11/09/01

Cours d ’électronique analogique

2τ t

56

TRANSFORMATION DE LAPLACE 2. Transformée de Laplace d’un signal rectangulaire périodique de période T=2τ

g2(t) = g1(t-T) g3(t) = g2(t-T) = g1(t-2T) ….. ….. …..

f(t)

A

τ

Et soit G(p) la transformée de Laplace de la fonction g1(t) : G(p) = Lg1(t)

T

-A

A •••• 2T t

T

11/09/01

•••• t

-A

Progression géométrique

On a donc : F(p) = G(p)[1 + e-pT + e-2pT + e-3pT +……]

F(p)=G(p) 1−pT 1−e

g2(t)

g1(t)

avec

Cours d ’électronique analogique

−

G(p)= A(1−e p

Tp 2 2

57

)

TRANSFORMATION DE LAPLACE Application de la transformée de Laplace au circuit oscillant Soit un circuit RLC série. A l'instant t = 0 appliquons au circuit une tension continue V. On a i(0) = 0. L'évolution du courant répond alors à l'équation :

di(t) 1 t V=Ri(t)+L + i(t)dt dt C0∫ Appliquons la transformation de Laplace à cette équation. On obtient alors:

V =Ri(p)+Lpi(p)+ 1 i(p) p Cp

i(p)=

V Lp2+Rp+ 1 C

Cherchons les racines p1 et p2 du dénominateur

∆=R −4L C 2

11/09/01

∆>0

2 racines réelles négatives

∆<0

2 racines imaginaires conjuguées

∆=0

1 racine double réelle négative

R=0

2 racines imaginaires pures

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TRANSFORMATION DE LAPLACE Application de la transformée de Laplace au circuit oscillant Dans le cas général (2 racines p1 et p2) on pourra mettre i(p) sous la forme:

i(p)=

V = A + B =i1(p)+i2(p) (p−p1)(p−p2) (p−p1) (p−p2)

A= V p1−p2

où

B=− V p1−p2

En prenant la transformée de Laplace inverse L-1 on obtient :

L−1[i1(p)+i2(p)]=i1(t)+i2(t)=i(t)=Aep t +Bep t 1

Si ∆ > 0 p1 et p2 réels négatifs

11/09/01

2

Amortissement

Cours d ’électronique analogique

59

t

TRANSFORMATION DE LAPLACE Application de la transformée de Laplace au circuit oscillant (suite)

Si ∆ < 0 p1 et p2 imaginaires conjugués Oscillations amorties p1 = - a + i α p2 = - a – i α

i(t) = e-at(Aeiαt + Be-iαt )

11/09/01

Cours d ’électronique analogique

t

60

TRANSFORMATION DE LAPLACE Application de la transformée de Laplace au circuit oscillant (suite) Si ∆ = 0 1racine double réelle négative p0 Amortissement critique

Si R = 0

V (p−p1)2

i(t)=tep t 0

i(p)= A + B p−iα p+iα

p1 = i α p2 = – i α Oscillations non amorties

11/09/01

i(p)=

i(t) = Aeiαt + Be-iαt

Cours d ’électronique analogique

t

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TRANSFORMATION DE LAPLACE Original f(t)

Transformée F(p)

t

1 p 1 p2

tn

n! pn+1

1 t

π p

1

n entier

Original f(t)

Transformée F(p)

ω

sin ωt

p2+ω2

ω réel

eiωt

1 p−iω

ω réel

e-atcos ωt

p+a (p+a)2+ω2

ω réel

e-atsin ωt

ω (p+a)2+ω2

ω réel

e-at

1 p+a

a réel ou complexe

f(at)

1F(p) a a

te-at

1 (p+a)2

a réel ou complexe

f(t-a)

e−apF(p)

tne-at

n! (p+a)n+1

a réel ou complexe

e-at f(t)

F(p+a)

cos ωt

p p2+ω2

ω réel

11/09/01

Cours d ’électronique analogique

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