Cours : Les composants électriques : inductance, diode et transistor

L’inductance

Un courant, lorsqu’il traverse un circuit, crée un champ magnétique.

• Celui-ci est caractérisé par une intensité et une répartition spatiale : le flux magnétique $\Phi$, exprimé en weber ($\text{Wb}$).

À retenir

Ce flux magnétique $\Phi$ est proportionnel au courant et à l’inductance.

Définition

Inductance (grandeur physique) :

L’inductance $L$, exprimée en henry ($\text{H}$), d’un circuit est le quotient du flux magnétique $\Phi$, en weber ($\text{Wb}$), par l’intensité du courant $I$, en ampère ($\text{A}$), qui le traverse :

$$\begin{aligned} L&=\dfrac \Phi I \\ \Leftrightarrow \Phi&=L\cdot I \end{aligned}$$

De la même façon que le composant électrique utilisé pour sa résistance électrique s’appelle « résistance », un composant utilisé pour son inductance est une « inductance ».

Définition

Inductance (composant) :

On appelle inductance tous les dipôles, tels qu’une bobine ou une self, qui, lorsqu’ils sont parcourus par un courant électrique, créent un champ magnétique.

L’inductance se représente de cette façon :

Il existe également une relation entre le flux magnétique et la tension (équation de Lenz) :

$$U=-\dfrac{d\Phi}{dt}$$

Le signe négatif s’explique par la loi de Lenz : la f.é.m. induite tend par ses conséquences à s'opposer à la cause qui lui a donné naissance (la variation du flux donc).

À retenir

En faisant le lien entre les deux formules précédentes, on obtient :

$$\begin{aligned} U&=-\dfrac{d\Phi}{dt} \\ &=-\dfrac{d(L\cdot I)}{dt} \\ &=-L\cdot \dfrac{dI}{dt} \end{aligned}$$

On retrouve l’inductance dans les bobines des transformateurs pour abaisser ou élever la tension ou le courant.
Dans un télérupteur ou un contacteur, la bobine permet de générer un champ magnétique pour déplacer un contact électrique.
Dans les alimentations, l’inductance permet de lisser le courant.
Enfin, le bobinage des moteurs électriques permet de les faire tourner.

Exemple

Faisons les mesures du courant circulant dans la bobine d’un contacteur et de la tension à ses bornes.

Avec l’oscilloscope numérique, on observe la forme des signaux dans le temps. On constate que la bobine (inductance) du contacteur a décalé dans le temps le courant par rapport à la tension (prise comme référence).
$I$ est en retard de $90\degree$ par rapport à $U$ lorsque le récepteur est purement inductif (inductance parfaite).

• Le courant $i(t)$ est alors dit en quadrature arrière de la tension $u(t)$ à ses bornes :

$$\begin{aligned} \varphi&=+90\degree \\ &=+\dfrac \pi 2\ \text{rad} \end{aligned}$$

Astuce

Représentation de Fresnel :

La représentation de Fresnel du courant et de la tension de l’inductance est :

De la même façon que pour le condensateur, on parlera d’impédance de l’inductance, notée $Z_\text{L}$ et exprimée en ohm ($\Omega$).

• Avec $U$ la tension efficace et $I$ l’intensité efficace :

$$U=Z_\text{L}\cdot I$$

À retenir

• L’impédance d’une inductance est donnée par la formule :

$$Z_\text{L}=L\cdot\omega$$

• On peut aussi noter la relation entre les valeurs efficaces de tension et de courant :

$$U=L\cdot \omega\cdot I$$

Avec :

• $Z_\text{L}$, l’impédance de l’inductance en ohm ($\Omega$) ;
• $L$, l’inductance en henry ($\text{H}$) ;
• $U$, la tension efficace en volt ($\text{V}$) ;
• $I$, l’intensité efficace du courant en ampère ($\text{A}$) ;
• et $\omega$, la pulsation en radian par seconde ($\text{rad}\cdot \text{s}^{-1}$).

La diode

Présentation de la diode

Définition

Une diode est un dipôle semi-conducteur, qui a pour rôle principal de laisser passer le courant électrique seulement dans un sens.

Une diode se représente avec le symbole ci-dessous :

Ce composant possède deux électrodes. Pour repérer le sens d’une diode, on désigne l’anode (A) et la cathode (K).

La diode est un élément essentiel dans les montages électroniques et électriques.

La diode en courant continu

Pour comprendre le principe de fonctionnement d’une diode, nous allons nous intéresser à deux utilisations.

Sur le schéma situé à gauche, la diode est raccordée de façon à relier l’anode de la diode sur la borne $\red +$ du générateur.

• On constate que la diode laisse passer le courant.

En revanche, dans le raccordement du schéma de droite, la diode a sa cathode reliée sur la borne $\red +$ du générateur.

• On constate que la lampe ne s’allume pas, car la diode ne laisse plus passer le courant.

À retenir

Pour que la diode soit passante, il faut que le potentiel de l’anode soit supérieur au potentiel de la cathode, avec un seuil de polarisation qui dépend du semi-conducteur ($0,7\ \text{V}$, par exemple, pour une diode au silicium).

• Or, dans le second schéma, c’est l’inverse : le potentiel de la cathode est supérieur à celui de l’anode, ce qui a pour effet de rendre la diode bloquante.

Sur la caractéristique de la diode ci-dessus, on constate les éléments suivants :

• la diode est polarisée dans le sens direct entre les points $O$ et $A$, mais la tension n’est pas suffisante pour qu’elle laisse passer le courant : $I = 0\ \text{A}$, la diode est bloquée ;
• la tension entre l’anode et la cathode continue à augmenter entre les points $A$ et $B$, ce qui a pour effet de débloquer progressivement la diode, un courant commence à apparaître ;
• entre les points $B$ et $C$, la diode est débloquée, le courant passe normalement.

La diode en courant alternatif

Pour comprendre comment se comporte la diode en courant alternatif, nous allons prendre le cas d’un redressement mono-alternance, qui est l'un des composants constituant notre chargeur de smartphone.

Exemple

• Nous utilisons un oscilloscope pour mesurer sur la voie 1 (en vert) le signal de la tension en sortie du générateur sinusoïdal de $3\ \text{V}$.
• Sur la voie 2 de l’oscilloscope (en rouge), nous mesurerons le signal de tension aux bornes du récepteur en sortie de la diode.

On peut observer qu’une seule alternance de tension est transmise au récepteur. La tension aux bornes du récepteur est diminuée d’environ $0,7\ \text{V}$, correspondant au seuil de polarisation pour rendre la diode passante.
La seconde alternance négative n’est pas transmise au récepteur, car elle est négative et la diode est bloquée sur cette demi-période.

La diode est utilisée dans les alimentations à courant continu. En effet, une diode, lorsqu’elle est correctement utilisée, assure le redressement d’une demi-période du signal alternatif.
Pour réaliser le redressement complet de la période, on peut utiliser un pont de Graetz constitué de $4$ diodes afin d’obtenir deux alternances positives.

• Cette opération s’appelle le redressement.

Le transistor

Présentation du transistor

À retenir

Le transistor est l’un des composants qui ont bouleversé le monde de l’électronique.
Un transistor bipolaire est un composant actif qui possède $3$ pattes ou connexions repérées : collecteur (C), émetteur (E) et base (B).

Le transistor est un interrupteur commandé par sa base.

• Pour que le transistor NPN soit passant, il faut une tension positive sur sa base ; il laissera alors passer le courant du collecteur vers l'émetteur.
• Pour que le transistor PNP soit passant, il faut une tension négative sur sa base ; il laissera alors passer le courant de l'émetteur vers le collecteur.

Le transistor en régime de saturation

Le transistor est un composant semi-conducteur qui, lorsqu’il est utilisé en régime de saturation, assure une fonction de commande (commutation).

• C’est en quelque sorte un interrupteur commandé électriquement et non manuellement.

À retenir

Le transistor possède donc deux états.

• Lorsque le transistor ne laisse pas passer le courant entre le collecteur et l’émetteur, il est dans son état bloqué (équivalence : interrupteur ouvert).

• Lorsque le courant circule entre le collecteur et l’émetteur, il est dans son état saturé ou passant (équivalence : interrupteur fermé).

Lorsque l’on applique un potentiel sur la base du transistor $U_\text{BE}> 0,7\ \text{V}$ (tension de seuil), un courant passe dans la base, noté $I_\text{B}$. Le transistor devient alors passant et un courant peut circuler par le collecteur ($I_\text{C}$) et l’émetteur ($I_\text{E}$), alimentant ainsi la lampe $L$.

• Au niveau du transistor, on peut imaginer un nœud qui amène le résultat suivant :

$$I_\text{E}=I_\text{B}+I_\text{C}$$

Cette addition correspond à la loi des nœuds, que nous aborderons dans le prochain cours.

Exemple

On peut utiliser un transistor pour commander un récepteur puissant, nécessitant une intensité de fonctionnement élevée, que ne pourraient pas fournir un capteur ou un détecteur.

• Le schéma ci-dessous présente un détecteur de luminosité qui, lorsque la lumière extérieure est insuffisante, va alimenter une lampe pour éclairer l’extérieur.

Le transistor sert donc d’interface pour alimenter en puissance le récepteur (circuit de puissance), car le capteur ou le détecteur donnant les ordres de commande (circuit de commande) n’est pas capable de fournir l’énergie suffisante.