Électronique de puissance

L'électronique de puissance est l'une des branches de l'électrotechnique, elle concerne les dispositifs (convertisseurs) permettant de changer la forme de l'énergie électrique. Elle comprend l'étude, la réalisation, la maintenance  :

• des composants électroniques utilisés en forte puissance
• des structures des convertisseurs
• de la commande de ces convertisseurs
• des applications industrielles de ces convertisseurs

Présentation de l'électronique de puissance

L'électronique de puissance, que l'on devrait d'ailleurs nommer « électronique de conversion d'énergie » a moins de 50 ans. Elle a connu un tel essor qu'aujourd'hui près de 15 % de l'énergieélectrique produite est convertie sous une forme ou une autre. Au cours de ces années la taille, le poids et le coût des convertisseurs n'ont fait que diminuer, en grande partie grâce aux progrès faits dans le domaine des interrupteurs électroniques.

C'est une électronique de commutation : elle tire parti du fait qu'un interrupteur parfait fermé (résistance nulle, tension aux bornes nulle) ou ouvert (résistance infinie, courant traversant nul) ne dissipe aucune énergie, donc ne présente aucune perte.

Lorsqu'il est associé à des éléments de filtrage passifs et purement réactifs (c.-à-d. sans aucune résistance interne), il permet théoriquement de modifier la tension et/ou le courant sans perte, donc de réaliser une conversion de tension ou de courant en conservant l'énergie.

Ce but est atteint en découpant la tension et/ou le courant à très haute fréquence (par rapport à la fréquence d'entrée ou de sortie du convertisseur) et en lissant le résultat obtenu pour en extraire la valeur moyenne. En pratique on doit s'attendre à des pertes de l'ordre de 2 à 10 % dues à l'imperfection des éléments physiques qui le constituent.

Cela justifie l'essor de ce type d'électronique de puissance dans les systèmes à haute puissance puisque les pertes raisonnables permettent une évacuation de la chaleur générée sans recourir à des moyens extrêmes et coûteux. Mais au fil du temps l'électronique de puissance s'est imposée dans tous les domaines où les pertes doivent rester faibles pour limiter l'échauffement comme dans les ordinateurs, et où le rendement doit être élevé pour préserver la source d'énergie comme dans les systèmes alimentés par batteries (GSM, GPS, ordinateurs portables ...

Rappelons qu'un convertisseur de puissance de rendement unitaire (sans pertes) ne peut être constitué que d'interrupteurs idéaux et de dipôles purement réactifs donc sans la moindre résistance parasite : condensateurs et inductances. Les dipôles réactifs sont des éléments de stockage d'énergie dont la taille (et donc le coût) est inversement proportionnelle à la fréquence de fonctionnement.

En plus des applications traditionnelles de l'électronique de puissance comme la traction électrique et les entraînements industriels, il est apparu de nouveaux domaines d'application :

• La gestion du réseau de distribution :
  • FACTS : Systèmes de Transmission Flexible en Courant Alternatif,
  • Filtrage actif et amélioration du facteur de puissance,
  • HVDC : Transmission en courant continu HTA.
• L'électroménager :
  • variateurs divers,
  • alimentations à découpage,
  • plaques de cuisson à induction.
• Les appareils portables (caméscopes, ordinateurs, etc.) :
  • chargeurs d'accumulateurs intelligents,
  • conversion CC / CC TBT.
• L'automobile : très forte augmentation de l'utilisation de l'énergie électrique dans les automobiles actuelles et en perspective : il y aura un très gros marché au moment du passage prévu, (mais retardé ?) en 42 V, les véhicules hybrides,

Pour en savoir plus sur l'électronique de puissance suivez des cours d'électronique.

Électronique numérique

Présentation de l'électronique numérique

L'électronique numérique est un domaine scientifique s'intéressant aux systèmes électroniques dont les états parcourent un ensemble fini de possibilités.

Le déterminisme dans les changements d'état (transitions) permet de disposer de systèmes qui se comportent de manière stable et fiable. L'électronique numérique permet en particulier de s'affranchir de parasites et autre déformations.

Ce type d'électronique numérique est opposé à l'électronique analogique, qui, elle, traite des systèmes électroniques opérant sur des grandeurs (tension, courant, charge) variant de manière continue.

Le système binaire de l'électronique numérique

Pour éviter les confusions de lecture que peuvent créer les parasites, une des méthodes possibles est de minimiser les ambiguïtés en minimisant le nombre d'états distincts que peut prendre un signal.

Ce minimum possible est 2.

Le système numérique permettant 2 états différents par numéro se nomme « binaire ».

Les états peuvent être notés FAUX / VRAI ou 0 / 1 par exemple.

Ils peuvent correspondre à des tensions 0V / +Vcc ou -Vcc / +Vcc par exemple.

Les transitions entre états résultent de portes logiques réalisant des opérations ou fonctions logiques telles le ET, le OU, etc. (voir algèbre de Boole).

On utilise ce type d'électronique numerique pour réaliser des circuits de commutation qui, en raison de leur simplicité, ont le mérite de présenter de très faibles coûts et, donc permettent la réalisation de systèmes logiques très complexes pour des prix dérisoires.

En fonction de leur gamme de tolérance et, aussi longtemps qu'on continue à pouvoir distinguer un état 0 d'un état 1, la fréquence du signal d'horloge peut être augmentée.

Pour en savoir plus sur l'électronique numérique voyez les cours d'électronique.

Électronique analogique

L'électronique analogique est la discipline traitant des systèmes électroniques opérant sur des grandeurs (tension, courant, charge) à variation continue.

L'électronique analogique diffère de l'électronique numérique dans laquelle ces dernières sont quantifiées. On emploie le terme « analogique » car les grandeurs électriques utilisées sont à l'image du signal à traiter (analogues).

Description de l'électronique analogique

Le terme d'électonique analogique est souvent associé à un contexte électrique, mais d'autres systèmes tels que la mécanique, la pneumatique, l'hydraulique, etc., peuvent également employer des signaux analogiques.

Signaux analogiques, signaux numériques

L'information n'est pas codée de la même façon dans les circuits analogiques et numériques. Les systèmes numériques utilisent la quantification et un codage de l'information tandis que les systèmes analogiques travaillent sur des valeurs à variation continue dont la richesse du contenu n'est pas limitée par un échantillonnage quelconque.

Historiquement, les premiers systèmes électroniques étaient de type analogique. Ceux-ci avaient en effet une structure plus simple. Une même fonction était réalisée avec moins de composants en analogique qu'en numérique.

Les progrès de l'intégration et l'essor de la micro-électronique ont favorisé le développement de l'électronique numérique. La plupart des systèmes électroniques actuels intègrent des systèmes numériques et des systèmes analogiques. Si la part de l'analogique se réduit au profit du numérique, l'électronique analogique reste cependant incontournable dans un certain nombre d'applications.

Le principal intérêt de l'électronique numérique est sa simplicité de fonctionnement qui rend son comportement très prédictible. Les règles de quantification et le synchronisme (dans les circuits synchrones) permettent de construire aisément des systèmes complexes et fiables. L'intégration a rendu cela possible et peu coûteux.

Bruit et précision

Grâce à leur quantification, les circuits numériques limitent l'impact du bruit. C'est l'avantage du codage par « tout ou rien ». Les signaux analogiques étant continus, ils sont obligatoirement soumis à une incertitude due au fait que les signaux physiques sont convoyés par des charges discrètes. Par contre, la quantité d'information convoyée sur un seul fil est plus grande (à fréquence constante).

L'immunité au bruit des circuits numériques est très intéressante en traitement du signal. Elle permet en particulier d'atteindre des dynamiques importantes puisque celle-ci n'est limitée que par le nombre de « fils » utilisés pour convoyer le signal. En analogique c'est le ratio entre le niveau de saturation et le niveau de bruit qui l'impose.

Le bruit étant un phénomène physique, il reste présent dans les circuits numériques. Il s'agit même d'un problème important dans les circuits récents, qui combinent les difficultés : de petits composants, de faibles tensions d'alimentations et des fréquences élevées. Le bruit est à origine de phénomènes pouvant mettre en défaut les circuits numériques (gigue, glitches), là où les systèmes analogiques ne subissent la plupart du temps qu'un dysfonctionnement passager ou une dégradation de leur performance.

Intégration

Bien que les circuits numériques comportent un grand nombre de composants et de nœuds, ils sont souvent plus petits que les circuits analogiques car ils se prêtent mieux à l'intégration. Dans le domaine du traitement de l'information, il est moins exigeant pour un transistor de fonctionner en binaire (bloqué/saturé c'est-à-dire commutateur fermé/ouvert) qu'en linéaire (amplificateur). Les circuits numériques sont petits et plus faciles à concevoir que les systèmes analogiques. L'électronique numérique permet la conception de circuits extrêmement complexes tels que les processeurs à un coût modéré.

Domaines d'utilisation de l'électronique analogique

Bien que l'électronique numérique soit actuellement très répandue, les systèmes analogiques sont encore largement présents et indispensables. Ils peuvent être regroupés dans différentes familles :

• les capteurs : la plupart des capteurs génèrent des signaux analogiques représentant la grandeur physique à mesurer ;
• les circuits d'instrumentation : les chaînes d'acquisition permettent le pré-traitement et l'amplification des signaux analogiques souvent faibles provenant de capteurs : on parle de systèmes d'instrumentation ;
• les calculateurs : au milieu du XX^e siècle, les calculateurs analogiques ont permis de réaliser des opérations mathématiques en manipulant des signaux analogiques. Ils ont été rapidement supplantés par l'ère numérique, néanmoins on trouve toujours des circuits pouvant réaliser de telles opérations : l'amplificateur opérationnel ;
• les filtres : on utilise encore beaucoup le filtrage analogique lorsque les filtres numériques, implémentés sur DSP ou FPGA sont ou trop lents (circuits HF) ou trop lourds à mettre en œuvre. Le filtre le plus simple et le plus connu est probablement le filtre RC ;
• les circuits d'amplification électronique : ils permettent la mise en forme de signaux analogiques pour être directement utilisables par des actionneurs : l'amplificateur électronique ;
• les actionneurs : une grande partie des actionneurs utilisent des signaux analogiques en tant que commande, bien que ceux-ci soient généralement associés à l'alimentation en énergie du système : moteur électrique, haut-parleur, etc. ;
• les convertisseurs : enfin il existe des systèmes de conversion analogique ↔ numérique que l'on peut qualifier de mixte : CAN, CNA, MLI ;
• les oscillateurs : circuits générant un signal alternatif à une fréquence fixée. À l'heure actuelle, l'oscillateur contrôlé en tension ou VCO est un circuit analogique très répandu du fait de son utilisation dans les boucles à verrouillage de phase (PLL) et à verrouillage de délai (DLL). Les oscillateurs sont également très utilisés pour les circuits radiofréquence.

 Pour en savoir plus sur l'électronique analogique, suivez des cours d'électronique.

Photocoupleur

Un photocoupleur (ou optocoupleur) est un composant électronique capable de transmettre un signal d'un circuit électrique à un autre, sans qu'il y ait de contact galvanique entre eux. Le terme de photocoupleur est traduit de l'anglais optocoupler ou optoisolator.

Fonctionnement du photocoupleur

La diode électroluminescente est une diode émettant de la lumière infrarouge (émission spontanée) lorsqu'elle est soumise à une polarisation directe. Lorsqu'un courant passe dans la DEL, et à partir d'une certaine tension (en général 1,5 Volt), la DEL s'allume.

Le phototransistor est composé de 3 zones : l'émetteur, la base et le collecteur. Le phototransistor est une variante du transistor NPN : le courant passe du collecteur vers l'émetteur, mais à condition que la base reçoive, non plus du courant, mais de la lumière visible ou infrarouge. Dans la majorité des applications, le phototransistor fonctionne en Commutation. Lorsque la DEL éclaire (traversée par un courant), alors le courant peut traverser le transistor. On peut alors considérer le transistor comme un interrupteur fermé. Sur le schéma de droite, la diode est représentée entre les broches 1 et 2 tandis que le phototransistor est situé entre les broches 3 (collecteur) et 4 (émetteur). Le phototransistor a un CTR élevé (de 10 % à 150 % ou plus), mais une vitesse de commutation moyenne (0,1ms typique).

La photodiode est, à l'instar du phototransistor, un récepteur de lumière. Comme ce dernier, elle ne laisse passer le courant que si elle est éclairée. Son avantage est d'être beaucoup plus rapide (0,1 microseconde à 1 microseconde) que le phototransistor. En revanche le courant qu'elle commute est plus petit, c'est-à-dire son CTR est plus petit (de 0,1 % à 10 %). De nombreux phototransistors sont équipés de photodiode suivis par un transistor (ou une électronique plus complexe) qui amplifie le courant fourni par la photodiode, ce qui allie une vitesse de commutation rapide avec un CTR élevé.

Le photo-relais est un photocoupleur dont le récepteur est composé de plusieurs photodiodes en série, qui génèrent une tension lorsqu'elles sont illuminées. Cette tension est appliquée sur la (les) grille(s) de un ou plusieurs transistor(s) à effet de champ intégrés dans l'optocoupleur. Ce composant se comporte ainsi comme un relais à semi-conducteurs. La vitesse de commutation est lente (comparée aux autres opto-coupleurs), mais un peu plus rapide comparée au relais électro-mécaniques. (1ms à 10ms).

Le photo-darlington est composé d'un phototransistor, suivi d'un transistor normal qui amplifie le courant. Ce photocoupleur a un CTR très élevé, mais une vitesse de commutation moyenne.

Le photocoupleur analogique est utilisé pour reproduire un courant précis à travers une isolation galvanique. Il est composé d'un emetteur (une DEL) et de deux récepteurs de caractéristiques aussi identiques que possible. L'un des récepteurs fournit un courant qui est comparé au courant de référence à transmettre. L'autre récepteur se trouve du côté à isoler.

L'isolation : Il s'agit de la tension de mode commun entre l'entrée et la sortie de l'optocoupleur. Le constructeur spécifie en général une tension maximale continue et/ou alternative pour laquelle aucun claquage ne se produit. Cette tension doit pour le test être appliquée durant un temps minimum (1 seconde ou 1 minute). Pour obtenir une bonne isolation, les composants optiques sont séparés par un écran transparent, voire dans certains optocoupleurs coulés dans la même résine.

Où utilise-t-on des photocoupleurs ?

Leurs applications sont innombrables. Celle qui vient immédiatement à l'esprit est le couplage de deux circuits qui ont des alimentations distinctes, sans aucun contact électrique entre eux, ce qui évite les boucles de masse, mais sert aussi de protection des circuits à basse tension, comme les microprocesseurs, ou les humains à l'égard de tensions dangereuses, comme celle du secteur de distribution électrique.

Ils font alors office de relais entre le circuit de commande et les circuit de puissance, mais avec un gain considérable de place et d'énergie. Le photocoupleur est incontournable dans le système MIDI Musical Instrument Digital Interface des instruments de musique électronique.

Pour en savoir plus sur les photocoupleurs ou les composants électroniques, suivez des cours d'électronique.

Bobine

Une bobine, self, solénoïde, ou auto-inductance est un composant courant en électrotechnique et électronique. Une bobine est constituée d'un bobinage ou enroulement d'un fil conducteur éventuellement autour d'un noyau en matériau ferromagnétique.

Ce noyau est également appelé dans la langue courante "noyau de ferrite". Les physiciens français l'appellent couramment « bobine d'inductance » ou, plus souvent et abusivement, « inductance ». Cependant, le terme inductance désigne normalement une caractéristique de la bobine. Le terme de bobine peut aussi désigner un dispositif destiné à produire des tensions élevées.

Utilisation de la bobine en électronique

Une bobine peut être employée pour diverses fonctions :

• assurer l'élimination des parasites d'une alimentation électrique ou d'un signal analogique, elle joue alors le rôle d'impédance ;
• raccourcir une antenne (la bobine joue le rôle d'amplificateur de signal) ;
• accorder en impédance un circuit ;
• créer un filtre pour une fréquence ou une bande de fréquences particulière ;
• lisser les courants continus (le bruit est éliminé) ou contrôler la croissance des courants dans les dispositifs d'électronique de puissance ;
• stocker de l'énergie électromagnétique (magnétique en l'occurrence) sous la forme :

. Il faut alors que sa résistance soit très faible. En fait l'énergie est entièrement stockée dans le champ magnétique dans le noyau de la bobine. En comparaison, l'énergie électromagnétique est purement stockée dans le champ électrique d'un condensateur, un autre type de composant de circuit. Des bobines en supraconducteur, appelées SMES (Superconducting Magnet Energy Storage) sont utilisées pour cette application.

• Les bobines peuvent servir d'interrupteur commandé dans le cadre de la régulation magnétique. Ce phénomène peut s'observer à partir d'une expérience simple: Pour cela, on utilise un transformateur qui, aux bornes où la tension est abaissée une pile est reliée. Lorsque on la déconnecte, une étincelle surgit sur la borne d'où l'on a déconnecté la pile. Cependant, si les deux fils de l'autre côté du transformateur sont suffisamment proches, une étincelle à très haute énergie peut surgir. Le transformateur dans ces circonstances devient un survolteur. Lorsque la pile est connectée, la première bobine se charge et lorsqu'on la débranche, elle se vide dans la deuxième. Grâce à ceci, la bobine peut servir d'interrupteur. Le fait d'utiliser le transformateur comme survolteur dans ce cas présent permet de visualiser le phénomène grâce aux étincelles produites.
• Les ballasts magnétiques et électroniques pour l'éclairage par lampes à décharges (lampes fluorescentes, lampes aux halogénures métalliques, etc.) utilisent des bobines. Dans ces circonstances, la bobine sert à générer un courant de haut voltage en pic: la tension n'est pas alternative mais elle est variable et n'est non nulle qu'un très court instant par rapport au moment ou la tension est nulle.

Pour en savoir plus sur les bobines ou les composants électroniques, suivez des cours d'électronique.

Résistance

Une résistance est un composant électronique ou électrique dont la principale caractéristique est d'opposer une plus ou moins grande résistance (mesurée en ohms) à la circulation du courant électrique.

C'est par métonymie que le mot « résistance », qui désigne avant tout une propriété physique, en est venu à désigner aussi un type de composant que certains préfèrent appeler un « dipôle résistant ». On utilise également, pour l'enseignement de la physique, le terme « résisteur » ou l'anglicisme « résistor » (du mot resistor qui, en anglais, désigne ce type de composant), ou encore l'expression « conducteur ohmique », de façon à éviter d'utiliser le même terme pour l'objet et sa caractéristique.

Des résistances sont réalisées de manière à approcher de façon très satisfaisante la loi d'Ohm dans une large plage d'utilisation.

• Les résistances de faible puissance en dessous de 1 watt sont généralement des résistances à couche de carbone sur un support de céramique.
• Pour les puissances supérieures, la technique du fil résistant enroulé sur un corps en céramique est souvent utilisée.
• Pour les très fortes puissances, on peut utiliser une technologie dite des « résistances liquides » consistant à faire passer le courant à travers une solution aqueuse contenant des ions cuivre.

Le bruit thermique, généré par le passage d'un courant dans la resistance, est également nommé bruit de résistance, bruit Johnson ou bruit de Johnson-Nyquist. Il est le bruit produit par l'agitation thermique des électrons dans une résistance électrique en équilibre thermique. Le bruit thermique est un bruit blanc dont la densité spectrale de puissance dépend uniquement de la valeur de la résistance. Le bruit thermique peut être modélisé par une source de tension en série avec la résistance qui produit le bruit.

La valeur des résistances à couche standard est habituellement indiquée sur le composant sous forme d'anneaux de couleurs. Le code en est défini par la norme CEI 60757. Afin de standardiser les valeurs possibles des résistances, il existe des séries de valeurs normales pour résistances. Ces valeurs normalisées sont définies par la norme CEI 60063.

Pour en savoir plus sur les résistances ou les composants électroniques, suivez des cours d'électronique.

Condensateur

Un condensateur est un composant électronique ou électrique élémentaire, constitué de deux armatures conductrices (appelées « électrodes ») en influence totale et séparées par un isolant polarisable (ou « diélectrique »).

Sa propriété principale est de pouvoir stocker des charges électriques opposées sur ses armatures. La valeur absolue de ces charges est proportionnelle à la valeur absolue de la tension qui lui est appliquée. Le condensateur est caractérisé par le coefficient de proportionnalité entre charge et tension appelé capacité électrique et exprimée en farads (F). La relation caractéristique d'un condensateur idéal est :

où :

• i est l'intensité du courant qui traverse le composant, exprimée en ampère (symbole A) ;
• u est la tension aux bornes du composant, exprimée en volt (symbole V) ;
• C est la capacité électrique du condensateur, exprimée en farad (symbole F).
•  est la dérivée de la tension par rapport au temps.

Les signes sont tels que l'électrode par laquelle entre le courant (dans le sens conventionnel du courant) voit son potentiel augmenter.

Le condensateur est utilisé principalement pour :

• stabiliser une alimentation électrique (il se décharge lors des chutes de tension et se charge lors des pics de tension) ;
• traiter des signaux périodiques (filtrage…) ;
• séparer le courant alternatif du courant continu, ce dernier étant bloqué par le condensateur ;
• stocker de l'énergie, auquel cas on parle de supercondensateur.

Le mot condensateur peut désigner spécifiquement un composant électrique ou électronique conçu pour pouvoir emmagasiner une charge électrique importante sous un faible volume ; il constitue ainsi un véritable accumulateur d'énergie.

En octobre 1745, Ewald Georg von Kleist de Poméranie inventa le premier condensateur. Le physicien hollandais Pieter van Musschenbroek le découvrit de façon indépendante en janvier 1746. Il l'appela la bouteille de Leyde car Musschenbroek travaillait à l'université de Leyde.

• Un condensateur est constitué fondamentalement de deux conducteurs électriques, ou « armatures », très proches l'un de l'autre, mais séparés par un isolant, ou « diélectrique ».

La charge électrique emmagasinée par un condensateur est proportionnelle à la tension appliquée entre ses deux armatures. Aussi, un tel composant est-il principalement caractérisé par sa capacité, rapport entre sa charge et la tension.

La capacité électrique d'un condensateur se détermine essentiellement en fonction de la géométrie des armatures et de la nature du ou des isolants ; la formule simplifiée suivante est souvent utilisée pour estimer sa valeur :

avec S : surface des armatures en regard, e distance entre les armatures et ε la permittivité du diélectrique.

• L'unité de base de capacité électrique, le farad représente une capacité très élevée, rarement atteinte (à l'exception des supercondensateurs) ; ainsi, de très petits condensateurs peuvent avoir des capacités de l'ordre du picofarad.
• Une des caractéristiques des condensateurs est leur tension de service limite, qui dépend de la nature et de l'épaisseur de l'isolant entrant dans leur constitution. Cet isolant présente une certaine rigidité diélectrique, c'est-à-dire une tension au-delà de laquelle il peut apparaître un violent courant de claquage qui entraîne une destruction du composant (sauf pour certains d'entre eux, dont l'isolant est dit auto-cicatrisant).

La recherche de la plus forte capacité pour les plus faibles volume et coût de fabrication conduit à réduire autant que possible l'épaisseur d'isolant entre les deux armatures ; comme la tension de claquage diminue également dans la même proportion, il y a souvent avantage à retenir les meilleurs isolants.

Pour en savoir plus sur les condensateurs ou les composants électroniques, suivez des cours d'électronique.