Cours electricite technicien : analyse des circuits electroniques
Cours électricité technicien :analyse des circuits electroniques
Thyristors
1.1 SCR
1.1.1 Analogie «2 transistors» de la structure PNPN
Les structures PN des diodes et NPN ou PNP des transistors bipolaires nous sont déjà familières. Il existe toutefois des éléments semi- conducteurs à structure PNPN, qu’on appelle thyristors. Le plus connu de ceux-ci est le SCR, Silicon Controled Rectifier, dont la configuration apparaît à la Figure 1-1 a).
Pour en comprendre le fonctionnement, on brise symboliquement le cristal semi-conducteur tel que le schéma équivalent à 2 transistors (Figure 1-1 c)).
a) b) c)
Figure 1-1 Analogie « 2 transistors »
À la Figure 1-2, on rappelle les équations du transistor ICBO. On note aussi la présence de la capacité de l’importance un peu plus loin.
bipolaire en tenant compte du jonction CCBO dont on verra
Figure 1-2 Transistor NPN | |||||||
IE =(β +1)(IB + ICBO) | (1.1) | ||||||
IC = βIB +(β +1)ICBO | (1.2) | ||||||
IB = IE − IC | (1.3) | ||||||
Pour trouver le courant d’anode du SCR équivalent de la Figure 1-3, il suffit d’effectuer la somme des courants suivants:
IA = IC 1+ IB1 | (1.4) |
D’après la Figure 1-3, on note que :
…
Figure 1-3 courants dans un SCR
À l’aide des équations (1.2), (1.5) et (1.6), on effectue les substitutions appropriées pour obtenir l’expression du courant d’anode.
I A= | β 2( β1+1) IE +(β1+1)(β 2+1)(ICBo 1+ ICBo2) | (1.7) | $ |
1 − β 1β 2 |
1.1.2 Courbe caractéristique IA-UA et symbole du SCR
À la Figure 1-4, on trouve le symbole ainsi que la courbe IA-UA d’un SCR. De plus, les caractéristiques pertinentes du C106 sont fournies.
Avec un courant de gâchette nul, le SCR peut bloquer une tension aussi élevée que le UBo. Passé ce point, l’amorçage par tension se produit et le SCR passe à l’état de conduction. Son courant devient élevé et sa tension devient faible car il sature. Si IA devient inférieur à IH, le SCR retourne à l’état bloqué.
En inverse, le SCR peut bloquer une tension aussi élevée que le U(BR) puis entre en avalanche comme une diode de redressement.
En fait, le synonyme de SCR est «redresseur commandé » car, plus le courant de gâchette augmente, plus le UBo diminue jusqu’à devenir, à toutes fins pratique, nul. C’est de cette façon que se réalise l’amorçage par la gâchette.
…
1.1.3 Spécifications des fabricants
Dans les fiches techniques publiées par les fabricants figurent toutes les informations nécessaires pour faciliter le choix d’un SCR pour une application donnée. Le tableau ci-dessous présente la fiche technique du SCR C106.
Caractéristiques du SCR C106 :
Région de conduction : | Région de blocage en inverse : |
Courant direct max. : ITM=5amp. | Courant d’avalanche : I(BR) > 1mA |
Tension directe max. : UTM=1.7V | Tension d’avalanche : U(BR) > 100V C106 A |
Courant de maintien : IH=5mA max. | > 200V C106 B |
> 300V C106 C | |
> 400V C106 D |
Région de blocage en direct : Amorçage :
Courant de retournement : IBo > 400µA Courant d’amorçage : IGT=200µA max.
Tension de retournement : UBo > 100V C106 A Tension d’amorçage : UGT=1V max.
> 200V C106 B
> 300V C106 C
> 400V C106 D
La fiche technique d’un SCR comporte quatre parties. Dans la première partie, on peut trouver la description du composant, le numéro de pièce, la forme du boîtier ainsi qu’une description sommaire des modèles.
La deuxième partie est consacrée aux limites maximales d’utilisation du SCR qu’il ne faut jamais dépasser pour éviter d’endommager le SCR.
La troisième partie indique les caractéristiques électriques d’utilisation normale du SCR. La quatrième est une extension de la troisième, mais sous la forme de graphes.
1.2 Procédés d’amorçage des thyristors
1.2.1 Introduction
Tout processus de commutation comporte quatre phases :
1- L’amorçage (turn-on)
2- L’état conducteur (on state)
3- Le désamorçage (turn-off)
4- L’état bloqué (off state)
Lorsqu’un SCR conduit, les principales caractéristiques à considérer sont le courant maximum It, le courant minimum ou courant de maintien IH et la puissance dissipée PD.
Pour un SCR bloqué, il faut tenir compte principalement de la tension maximale qu’il peut supporter en direct, c’est la tension de retournement ou « Breakover Voltage » UBo et en inverse, c’est la tension d’avalanche UBR (R).
Dans les pages qui suivent, nous porterons notre attention sur le comportement dynamique du SCR à l’amorçage et au désamorçage. Nous discuterons du temps de fermeture Ton (turn- on-time) et du phénomène de di/dt ainsi que du temps d’ouverture Toff (turn-off-time).
1.2.2 Amorçage par résistance et condensateur
Pendant l’alternance négative (B(+)), la diode D2 court-circuite R et le condensateur C se charge à la valeur Emax; l’armature inférieure est alors positive, puis il commence à se décharger (zone OP) . Pendant l’alternance positive (A(+)), le condensateur reçoit le courant i et se charge en fonction de la constante de temps RC jusqu'à ce que la tension Vc atteint la valeur de Vgt, ce qui provoque l’amorçage du Th. L’angle d’amorçage est directement proportionnel à la valeur de R et peut varier de 0 à 180°.
Figure 1-5 : Déclenchement par RC : schéma de principe
1.2.3 Amorçage résistif en régime continu
Le circuit de la figure 1-6 montre l’amorçage résistif d’un SCR en régime continu. Comme le courant de gâchette est fourni par la source d’entrée, une résistance dans le circuit de la gâchette est nécessaire pour limiter le courant à une valeur qui n’endommagera pas le SCR. Pour amorcer le dispositif, il suffite fermer momentanément l’interrupteur afin de solliciter la gâchette
RG | Va CC |
SCR
Figure 1-6 : Amorçage résistif d’un SCR
Pour que le SCR puisse être amorcé il faut que le courant de gâchette Ig soit égal à la valeur du courant de gâchette prescrite pour le SCR en question.
La loi de Kirchoff appliquée au circuit gâchette permet d’écrire l’équation suivante :
VA = Rg Igt + Vgt ⇒ Rg = (VA –Vgt)/Igt
La loi de Kirchoff appliquée au circuit de charge nous permet d’écrire l’équation suivante :
VA = It RL + Vak ⇒ It = (VA – Vak)/RL
En fait, on doit considérer les limites suivantes pour le courant principal:
Pour l’amorçage : Itmax > It >IL
Pour maintenir l’amorçage sans courant de gâchette :
Itmax > It >Ih
La valeur de la résistance de charge doit donc se situer entre les limites suivantes :
RLmin ≤ RL ≤ RLmax ⇒ (VA – Vak)/ Itmax ≤ RL ≤ (VA – Vak)/IL | (1.8) |
Exercice 1.1
La fiche technique du SCR S2003LS3 fournit les données suivantes :
Igt = 200 µA ; Vgt = 0.8 V ; Itmax = 3 A Ih = 6 mA Vtm (ou Vak) = 1.6 V
On considère la figure 1-6 ave une résistance de charge de 1 kΩ et une source de tension de 12 Vcc.
- Calculer la valeur de Rg pour assurer l’amorçage.
- on décide de remplacer la résistance de charge de 1 kΩ par une autre de 3 kΩ la résistance Rg demeure la même. Le SCR peut-il être amorcé ? pourquoi ?
- trouver la valeur maximale de RL en tenant compte d’un courant d’accrochage IL de 8 mA.
- Trouver la valeur minimale de RL en tenant compte du courant maximal permis à travers le SCR.
- Trouver la puissance de la résistance RLmin.
1.2.4 Amorçage résistif en régime alternatif
Le circuit de la figure 1-7 réalise l’amorçage d’un SCR en régime alternatif.
Le SCR s’amorce quand la tension instantanée, es = Emax sinwt, atteint une valeur égale à :
es = Vgt + Vd + RgIgt
la valeur de l’angle d’amorçage qu’on veut réaliser dépendra directement de la valeur de la résistance Rg ;
Figure 1-7 : Amorçage résistif d’un SCR en régime alternatif
Le rôle de la diode D, en série avec la résistance Rg, est de protéger la jonction gâchette-cathode du SCR contre les surtensions en polarisation inverse.
Quant à la résistance, en parallèle avec la jonction gâchette -cathode, elle sert à protéger le SCR contre l’amorçage accidentel qui pourrait parvenir du courant de fuite de la jonction anode-gâchette du SCR.
1.2.5 Amorçage par impulsion électrique
L’amorçage par impulsion électrique est la méthode d’amorçage la plus souvent utilisée, car elle permet d’obtenir des angles de conduction plus précise et ce, d’une manière plus efficace. Les premiers dispositifs permettent ce genre d’amorçage utilisaient des amplificateurs magnétiques.
L’amorçage par impulsion électrique se fait de plus en plus avec l’aide des semi-conducteurs à seuil de tension, appelés encore dispositifs de déclenchement.
L’enroulement de charge Nl représente l’inductance variable. Il est parcouru par le courant de gâchette Igt. L’enroulement de contrôle Nc permet de varier la perméabilité du noyau magnétique à l’aide d’un courant de contrôle continu Ic.
RG | RL | source c.a | |
Nc | Ic | ||
4 | 1 | ||
T1 | SCR |
Figure 1-8 : Amorçage par impulsion avec amplificateur magnétique
Quand le courant Ic est nul, l’inductance de charge est maximale et la valeur du courant de gâchette est insuffisante pour amorcer le SCR. Quand Ic augmente brusquement, l’inductance de charge tombe à sa valeur minimale et permet ainsi de décharger le condensateur dans la gâchette du SCR pour l’amorcer.
1.2.6 Angle d’amorçage et angle de conduction d’un SCR
Lorsqu’on examine la forme d’onde de la tension aux bornes du SCR, on remarque que ce dernier ne laisse passer qu’une partie de l’alternance positive du cycle alternatif. En l’absence d’un courant de gâchette suffisant et durant toute l’alternance négative, le SCR est bloqué.
Le décalage ∝ qu’on retrouve avant que la tension apparaisse aux bornes de la résistance de charge RL est appelé angle de retard ou angle d’amorçage. Le décalage
Ɵc représente l’angle de conduction du SCR. On a:
Ɵc = 180° - ∝ | (1.9) |
1.3 Méthodes de désamorçage (blocage du SCR)
Il existe deux méthodes générales pour désamorcer un SCR: La commutation par interruption de courant et la commutation forcée. Ces deux méthodes visent le même objectif: diminuer le courant d’anode à une valeur inférieure au courant de maintien IH.
La technique de commutation par interruption de courant est illustrée à la Figure 1-9. Dans les deux montages, si on maintient SW1 fermé pendant un temps supérieur au
Ton du SCR, ce dernier amorce et la DEL s’allume. Pour bloquer le SCR, il suffit d’actionner SW2 pendant un temps supérieur à Toff.
La charge est désalimentée au moment où on presse SW2 du circuit a) et au moment où on relâche SW2 dans le circuit b).
Figure 1-9 Désamorçage par interruption de courant
Notons finalement que ces deux circuits sont sujets à des dv/dt importants lorsqu’on relâche SW2.
Il existe plusieurs techniques de commutation forcée. Toutefois, nous limiterons notre étude à la «commutation forcée par condensateur» et à la «commutation forcée par source alternative».
La Figure 1-10 montre le circuit de base pour désamorcer un SCR par condensateur. Au départ, le SCR est bloqué et le condensateur C est déchargé.
Lorsqu’un courant de gâchette vient amorcer le SCR à t1, la tension d’anode tombe de Ucc à Ut et la condensateur se charge à travers R.
Après 5τ, la tension aux bornes de ce dernier vaut Ucc-Ut. À t2, on appuie sur SW pour désamorcer le SCR.
La forme d’onde Usw passe donc de Ucc à 0. Le condensateur C force la tension d’anode à diminuer aussi d’une valeur égale à Ucc jusqu’à -(Ucc-Ut).
À partir de cet instant, C se charge en inverse à travers RL jusqu’à Ucc.
Finalement, lorsqu’on relâche SW à t3, la tension d’anode devient supérieure à l’alimentation, car C se décharge à travers RL+R, tel que démontré à la Figure 1-1.
Figure 1-10 désamorçage par commutation forcée par condensateur
Figure 1-11 Décharge de C à t3
Pour assurer le désamorçage du SCR, il faut que C maintienne le potentiel d’anode négatif pendant un temps Tc au moins égal au Toff spécifié par le manufacturier. Or, le temps requis à un condensateur pour atteindre une valeur Uc lorsqu’il se charge de Ei (tension initiale) jusqu’à Ef (tension finale) se calcule comme suit:
Ef | − Ei | |||
t = τ ln | (1.10) | |||
Ef | − UC |
En appliquant cette expression à notre circuit, la condition de commutation garantie du SCR s’écrit de la façon suivante:
Ucc −[−(Ucc − Ut)] | |||
Tc = RL C ln | ≥ Toff | ||
Ucc −0 |
Dans la plupart des cas, Ut est négligeable et l’équation (1.11) se réduit à:
C ≥ | Toff | (1.12) |
RL ln 2 |
Comme le montre la Figure 1- 12, l’interrupteur SW peut se remplacer par des interrupteurs électroniques tels le transistor et le SCR. Les formes d’onde du circuit a) sont identiques à celles du circuit de base de la figure précédente. Pour le circuit b), le lecteur pourra vérifier de lui-même les formes d’onde qui accompagnent le schéma.
Figure 1-12 Circuits pratiques pour la commutation forcée par condensateur
La technique de commutation forcée par source alternative ne nécessite pas de circuit de désamorçage. Comme l’indiquent les formes d’onde du circuit de la Figure 1-13, à chaque alternance négative, le SCR bloque obligatoirement. Si on veut amorcer ce dernier, on doit utiliser l’une ou l’autre des techniques d’amorçage vues jusqu’à présent durant l’alternance positive.
Figure 1-13 : Commutation forcée par source CA
Exercice 1.2
- Complétez la phrase suivante.
La commutation naturelle est aussi appelée ----------------------------------.
- Combien de signaux de commande sont-ils requis pour réaliser la commutation naturelle et la commutation forcée d’un SCR.
1.4 Protection des thyristors
Les thyristors sont des composants d’une grande fiabilité possédant une durée pratiquement illimitée ; cependant, comme tous les semi-conducteurs, ils sont très sensibles aux charges. Il faut donc les protéger efficacement contre les surtensions, les surintensités et les échauffements excessifs.
1.4.1 Protection contre les surtensions
Pour protéger les thyristors contre les surtensions, on a habituellement recours aux moyens suivants.
Surdimensionnement des thyristors : on utilise des thyristors ayant une tensioninverse de crête répétitive supérieure à la tension inverse de crête réellement appliquée. Le coefficient de surdimensionnement est d’environ 2.
Dispositifs écréteurs: constitués par un circuit RC monté en parallèle sur lesthyristors, ces dispositifs protègent les thyristors contre les surtensions au moment du blocage et contre les surtensions extérieures.
La résistance R en série avec C sert à limiter le courant d’anode à l’amorçage. Ce courant est constitué du courant de RC ainsi que du courant de décharge de C qui peut être très intense sans R. Les valeurs de R se situent en général entre 10Ω et 100Ω environ.
Figure 1-14 protection contre les du/dt
Si la résistance R est plus grande que RL, il convient de placer une diode en parallèle pour que la tension d’anode soit bien celle du condensateur lorsque Es augmente.
1.4.2 Protection contre les surintensités
Lorsque les thyristors sont à l’état passant, seul la résistance du circuit de charge limite le courant direct maximal. En l’absence de protection, une surintensité accidentelle peut provoquer l’échauffement excessif de la jonction et la destruction du thyristor.
La protection la plus simple contre les surintensités accidentelles causées par un court-circuit ou par une fausse manœuvre est l’utilisation de fusibles à action rapide (ou ultra-rapide) ou de disjoncteurs.
SOMMAIRE
I. THYRISTORS 8
I.1. Les SCR 10
I.2. Les procédés d’amorçages des thyristors 13
I.3. Méthodes de désamorçage 16
I.4. Protection des thyristors 21
I.5. Différents types de SCR 23
I.6. Les thyristors unidirectionnels spéciaux 24
II. ELEMENTS DE DECLENCHEMENTS
II.1 Introduction 27
II.2. Les thyristors de déclenchement unidirectionnels 27
II.3. Les thyristors de déclenchement bidirectionnels 39
II.4. Le TRIAC 41
II.5. Lampe au NEON 46
III. APPAREILS DE MESURE
III.1. Introduction 47
III.2. Oscilloscope 47
III.3. Multimètres électroniques 54
III.4. Fréquencemètre 65
IV. ANALYSE DES CIRCUITS ELECTRONIQUES DE PUISSANCE
IV.1. Introduction 69
IV.2. Recherche de pannes dans le matériel électronique 69
IV.3. Défaillance des composants 70
IV.4. Test portant sur les composants élémentaires 72
IV.5. Test sur un circuit électronique 74
IV.6. Les circuits à thyristors et à TRIAC 80
IV.7. Dépannage des circuits à base de thyristors 83
IV.8. Documentation 88
I. TP1 : Etude d’un SCR en régime continu 90
I.1. Objectif(s) visé(s) :
I.2. Durée du TP:
I.3. Matériel (Équipement et matière d’œuvre) par équipe :
I.4. Description du TP :
I.5. Déroulement du TP
II. TP2 : Etude d’un SCR en régime alternatif 93
II.1. Objectif(s) visé(s) :
II.2. Durée du TP
II.3. Matériel (Équipement et matière d’œuvre) par équipe :
II.4. Description du TP :
II.5. Déroulement du TP
III. TP3 : Etude d’un circuit à base d’un GTO 96
III.1. Objectif(s) visé(s) :
III.2. Durée du TP
III.3. Matériel (Équipement et matière d’œuvre) par équipe :
III.4. Description du TP :
III.5. Déroulement du TP
IV. TP4 : Optocoupleur à sortie LASCR 99
IV.1. Objectif(s) visé(s) :
IV.2. Durée du TP
IV.3. Matériel (Équipement et matière d’œuvre) par équipe :
IV.4. Description du TP :
IV.5. Déroulement du TP
V. TP5 : Etude d’un circuit à base d’un SCS 102
V.1. Objectif(s) visé(s) :
V.2. Durée du TP
V.3. Matériel (Équipement et matière d’œuvre) par équipe :
V.4. Description du TP :
V.5. Déroulement du TP
VI. TP6 : Oscillateur à Relaxation 104
VI.1. Objectif(s) visé(s) :
VI.2. Durée du TP
VI.3. Matériel (Équipement et matière d’œuvre) par équipe :
VI.4. Description du TP :
VI.5. Déroulement du TP
VII. TP7 : Oscillateur programmable à PUT 106
VII.1. Objectif(s) visé(s) :
VII.2. Durée du TP
VII.3. Matériel (Équipement et matière d’œuvre) par équipe :
VII.4. Description du TP :
VII.5. Déroulement du TP
VIII. TP8 : Amorçage d’un SCR à l’aide d’un SUS 109
VIII.1. Objectif(s) visé(s) :
VIII.2. Durée du TP
VIII.3. Matériel (Équipement et matière d’œuvre) par équipe :
VIII.4. Description du TP :
VIII.5. Déroulement du TP
IX. TP9 : Etude d’un circuit à base d’un DIAC 113
VIV.1. Objectif(s) visé(s) :
VIV.2. Durée du TP
VIV.3. Matériel (Équipement et matière d’œuvre) par équipe :
VIV.4. Description du TP :
VIV.5. Déroulement du TP
X. TP10 : Commutation à l’aide d’un TRAIC. 116
X.1. Objectif(s) visé(s) :
X.2. Durée du TP
X.3. Matériel (Équipement et matière d’œuvre) par équipe :
X.4. Description du TP :
X.5. Déroulement du TP
XI. TP11 : Contrôle de la puissance par réglage de phase. 120
XI.1. Objectif(s) visé(s) :
XI.2. Durée du TP
XI.3. Matériel (Équipement et matière d’œuvre) par équipe :
XI.4. Description du TP :
XI.5. Déroulement du TP
XII. TP12 : Vérification et dépannage d’un clignotant à thyristors. 123
XII.1. Objectif(s) visé(s) :
XII.2. Durée du TP
XII.3. Matériel (Équipement et matière d’œuvre) par équipe :
XII.4. Description du TP :
XII.5. Déroulement du TP
XIII. TP13 : Vérification et dépannage d’un circuit de protection « crow ber » 127
XIII.1. Objectif(s) visé(s) :
XIII.2. Durée du TP
XIII.3. Matériel (Équipement et matière d’œuvre) par équipe :
XIII.4. Description du TP :
XIII.5. Déroulement du TP
Evaluation de fin de module 131
Liste bibliographique
Annexes