Télecharger cours électronique: Cours de génie électrique

Cours électronique et génie électrique, tutoriel & guide de travaux pratiques en pdf.

Introduction
1 Quelques mathématiques
1.1 Généralités sur les signaux
1.1.1 Introduction
1.1.2 Les classes de signaux
1.1.2.1 Temps continu et temps discret
1.1.2.2 Valeurs continues et valeurs discrètes
1.1.2.3 Période, fréquence
1.1.3 Energie, puissance
1.1.3.1 Déﬁnitions
1.1.3.2 Remarques
1.2 La Transformée de Fourier
1.2.1 Généralités
1.2.1.1 Introduction
1.2.1.2 Déﬁnitions
1.2.2 Propriétés
1.2.2.1 Linéarité
1.2.2.2 Décalage en temps/fréquence
1.2.2.3 Dérivation
1.2.2.4 Dilatation en temps/fréquence
1.2.2.5 Conjugaison complexe
1.2.2.6 Convolution
1.2.3 Représentation de Fourier des signaux d’énergie inﬁnie
1.2.3.1 Impulsion de Dirac
1.2.3.2 Spectre des signaux périodiques
1.2.3.3 Cas particulier: peigne de Dirac
1.3 Notion de ﬁltre linéaire
1.3.1 Linéarité
1.3.2 Invariance
1.3.3 Fonction de transfert
2 Généralités
2.1 Le circuit électrique
2.1.1 Circuits électriques
2.1.2 Courant, tension, puissance
2.1.2.1 Courant électrique
2.1.2.2 Différence de potentiel
2.1.2.3 Energie, puissance
2.1.2.4 Conventions générateur/récepteur
2.1.3 Lois de Kirchhoff
2.1.3.1 Loi des nœuds
2.1.3.2 Loi des mailles
2.2 Dipôles électriques
2.2.1 Le résistor
2.2.1.1 L’effet résistif
2.2.1.2 Loi d’Ohm
2.2.1.3 Aspect énergétique
2.2.1.4 Associations de résistors
2.2.2 La bobine
2.2.2.1 Les effets inductif et auto-inductif
2.2.2.2 Caractéristique tension/courant d’une bobine
2.2.2.3 Aspect énergétique
2.2.3 Le condensateur
2.2.3.1 L’effet capacitif
2.2.3.2 Caractéristique tension/courant d’un condensateur
2.2.3.3 Aspect énergétique
2.3 Régime sinusoïdal, ou harmonique
2.3.1 Déﬁnitions
2.3.2 Puissance en régime sinusoïdal
2.3.2.1 Puissance en régime périodique
2.3.2.2 Puissance instantanée en régime sinusoïdal
2.3.2.3 Puissance moyenne en régime sinusoïdal
2.3.3 Représentation complexe d’un signal harmonique
2.3.4 Impédances
2.3.4.1 Rappel: caractéristiques tension/courant
2.3.4.2 Impédance complexe
2.3.4.3 Associations d’impédances
2.4 Spectre et fonction de transfert
2.4.1 Spectre d’un signal
2.4.1.1 Introduction
2.4.1.2 Signaux multipériodiques et apériodiques
2.4.2 Fonction de transfert
3 Du semi-conducteur aux transistors
3.1 Les semi-conducteurs
3.1.1 Semi-conducteurs intrinsèques
3.1.1.1 Réseau cristallin
3.1.1.2 Déﬁnitions
3.1.1.3 Exemples
3.1.2 Semi-conducteurs extrinsèques de type
3.1.2.1 Réseau cristallin
3.1.2.2 Déﬁnitions
3.1.2.3 Modèle
3.1.3 Semi-conducteurs extrinsèques de type
3.1.3.1 Réseau cristallin
3.1.3.2 Déﬁnition
3.1.3.3 Modèle
3.2 La jonction PN
3.2.1 Introduction
3.2.2 Description
3.2.3 Déﬁnitions
3.2.4 Barrière de potentiel
3.2.5 Caractéristique électrique
3.2.5.1 Description
3.2.5.2 Déﬁnitions
3.2.5.3 Caractéristique et déﬁnitions
3.3 Le transistor bipolaire
3.3.1 Généralités
3.3.1.1 Introduction
3.3.1.2 Déﬁnitions
3.3.1.3 Hypothèse
3.3.1.4 Transistor au repos
3.3.2 Modes de fonctionnement du transistor
3.3.2.1 Déﬁnitions
3.3.2.2 Blocage
3.3.2.3 Fonctionnement normal inverse
3.3.2.4 Fonctionnement normal inverse
3.3.2.5 Saturation
3.4 Le transistor MOS
3.4.1 Introduction
3.4.2 Déﬁnitions et principe de fonctionnement
4 Systèmes analogiques
4.1 Représentation quadripolaire
4.1.1 Introduction
4.1.2 Matrice de transfert
4.1.3 Exemple
4.1.4 Impédances d’entrée/sortie
4.2 Contre réaction
4.2.1 Généralités
4.2.1.1 Introduction
4.2.1.2 Conventions
4.2.1.3 Un exemple d’intérêt du bouclage
4.2.2 Un peu de vocabulaire
4.2.2.1 Les signaux
4.2.2.2 Les« branches» de la boucle
4.2.2.3 Les gains
4.2.3 Inﬂuence d’une perturbation
4.2.4 Exemples de systèmes à contre réaction
4.2.4.1 Exemple détaillé: une ﬁle de voitures sur l’autoroute
4.2.4.2 Autres exemples
4.3 Diagramme de Bode; Gabarit
4.3.1 Diagramme de Bode
4.3.1.1 Déﬁnition
4.3.1.2 Exemple
4.3.1.3 Les types de ﬁltres
4.3.2 Gabarit
4.4 Bruit dans les composants
4.4.1 Densité spectrale de puissance
4.4.2 Les types de bruit
4.4.2.1 Bruit thermique
4.4.2.2 Bruit de grenaille
4.4.2.3 Bruit en
4.4.2.4 Bruit en créneaux
4.4.3 Bruit dans un dipôle
4.4.3.1 Température équivalente de bruit
4.4.3.2 Rapport de bruit
4.4.4 Facteur de bruit
4.4.4.1 Déﬁnition
4.4.4.2 Température de bruit
4.4.4.3 Facteur de bruit d’un quadripôle passif
4.4.4.4 Théorème de Friiss
4.5 Parasites radioélectriques
4.5.1 Les sources de parasites
4.5.2 Classiﬁcation des parasites
4.5.2.1 par leur propagation
4.5.2.2 par leurs effets
4.5.3 Les parades
5 Systèmes numériques
5.1 Introduction
5.1.1 Généralités
5.1.2 Représentation logique
5.1.3 Familles de portes logiques
5.2 Logique combinatoire
5.2.1 Les opérateurs de base
5.2.1.1 Les opérateurs simples
5.2.1.2 Propriétés
5.2.1.3 Les opérateurs « intermédiaires»
5.2.2 Table de Karnaugh
5.2.2.1 Principe
5.2.2.2 Code binaire réﬂéchi
5.2.2.3 Exemple
5.2.3 Quelques fonctions plus évoluées de la logique combinatoire
5.2.3.1 Codage, décodage, transcodage
5.2.3.2 Multiplexage, démultiplexage
5.2.4 Fonctions arithmétiques
5.2.4.1 Fonctions logiques
5.2.4.2 Fonctions arithmétiques
5.2.5 Mémoire morte
5.2.6 Le PAL et le PLA
5.2.6.1 Le PAL
5.2.6.2 Le PLA
5.3 Logique séquentielle
5.3.1 Généralités
5.3.1.1 Le caractère séquentiel
5.3.1.2 Systèmes synchrones et asynchrones
5.3.1.3 Exemple : bascule RS asynchrone
5.3.2 Fonctions importantes de la logique séquentielle
5.3.2.1 Bascules simples
5.3.2.2 Bascules à fonctionnement en deux temps
5.3.2.3 Registres (ensembles de bascules)
5.3.3 Synthèse des systèmes séquentiels synchrones
5.3.3.1 Registres de bascules
5.3.3.2 Compteur programmable
5.3.3.3 Unité centrale de contrôle et de traitement (CPU): microprocesseur
5.4 Numérisation de l’information
5.4.1 Le théorème de Shannon
5.4.1.1 Nécessité de l’échantillonnage
5.4.1.2 Exemple : échantillonnage d’une sinusoïde
5.4.1.3 Cas général
5.4.2 Les échantillonneurs
5.4.3 Convertisseur analogique/numérique (CAN)
5.4.3.1 Généralités
5.4.3.2 Les caractéristiques d’un CAN
5.4.3.3 Quelques CAN
5.4.4 Convertisseur numérique/analogique (CNA)
5.4.4.1 Généralités
5.4.4.2 Un exemple de CNA
5.4.4.3 Applications des CNA
6 Transmission de l’information
6.1 Généralités
6.1.1 Quelques dates
6.1.2 Nécessité d’un conditionnement de l’information
6.1.3 Transports simultanés des informations
6.1.4 Introduction sur les modulations
6.2 Emission d’informations
6.2.1 Modulation d’amplitude
6.2.1.1 Introduction
6.2.1.2 Modulation à porteuse conservée
6.2.1.3 Modulation à porteuse supprimée
6.2.2 Modulations angulaires
6.2.2.1 Introduction
6.2.2.2 Aspect temporel
6.2.2.3 Aspect fréquentiel de la modulation de fréquence
6.3 Réception d’informations
6.3.1 Démodulation d’amplitude
6.3.1.1 Démodulation incohérente
6.3.1.2 Détection synchrone
6.3.2 Démodulation angulaire
7 Notions d’électrotechnique
7.1 Le transformateur monophasé
7.1.1 Description, principe
7.1.1.1 Nécessité du transformateur
7.1.1.2 Principe du transformateur statique
7.1.2 Les équations du transformateur
7.1.2.1 Conventions algébriques
7.1.2.2 Détermination des forces électromotrices induites
7.1.2.3 Le transformateur parfait
7.2 Systèmes triphasés
7.2.1 Déﬁnition et classiﬁcation
7.2.1.1 Déﬁnition d’un système polyphasé
7.2.1.2 Systèmes direct, inverse et homopolaire
7.2.1.3 Propriétés des systèmes triphasés équilibrés
7.2.2 Associations étoile et triangle
7.2.2.1 Position du problème
7.2.2.2 Association étoile
7.2.2.3 Association triangle
7.2.2.4 Bilan
7.2.3 Grandeurs de phase et grandeurs de ligne
7.2.3.1 Déﬁnitions
7.2.3.2 Relations dans le montage étoile
7.2.3.3 Relations dans le montage triangle
7.2.3.4 Bilan
7.3 Les machines électriques
7.3.1 Généralités
7.3.1.1 Mouvement d’un conducteur dans un champ d’induction magnétique uniforme
7.3.1.2 Le théorème de Ferraris
7.3.2 La machine à courant continu (MCC)
7.3.2.1 Principe de la machine
7.3.2.2 Réalisation
7.3.2.3 Modèle
7.3.2.4 Excitation parallèle, excitation série
7.3.3 La machine synchrone
7.3.4 La machine asynchrone
7.4 Conversion d’énergie
7.4.1 Introduction
7.4.2 Les interrupteurs
7.4.2.1 Principe de fonctionnement
7.4.2.2 Les types d’interrupteurs
7.4.3 Le redressement
7.4.3.1 Montages à diodes
7.4.3.2 Montage à thyristors
7.4.4 L’ondulation
7.4.4.1 Généralités
7.4.4.2 Exemple d’onduleur
A Table de transformées de Fourier usuelles
A.1 Déﬁnitions
A.2 Table
B Quelques théorèmes généraux de l’électricité
B.1 Diviseur de tension, diviseur de courant
B.1.1 Diviseur de tension
B.1.2 Diviseur de courant
B.2 Théorème de Millman
B.3 Théorèmes de Thévenin et Norton
B.3.1 Théorème de Thévenin
B.3.2 Théorème de Norton
B.3.3 Relation entre les deux théorèmes
C L’Ampliﬁcateur Opérationnel (AO)
C.1 L’AO idéal en fonctionnement linéaire
C.1.1 Représentation
C.1.2 Caractéristiques
C.1.3 Exemple : montage ampliﬁcateur
C.2 L’AO non idéal en fonctionnement linéaire
C.2.1 Représentation
C.2.2 Caractéristiques
C.2.3 Exemples : montage ampliﬁcateur
C.2.3.1 Gain non inﬁni
C.2.3.2 Impédance d’entrée non inﬁnie
C.2.3.3 Réponse en fréquence imparfaite
C.3 L’AO en fonctionnement non linéaire
D Lignes de transmission
D.1 Lignes sans perte
D.1.1 Quelques types de lignes
D.1.2 Equation de propagation
D.1.3 Résolution de l’équation
D.2 Interface entre deux lignes
D.2.1 Coefﬁcients de réﬂexion/transmission
D.2.2 Cas particuliers
D.3 Ligne avec pertes
D.3.1 Equation de propagation
D.3.2 Résolution de l’équation
E Liste d’abréviations usuelles en électricité
Index

Introduction

Ce cours a pour but de présenter rapidement le plus large éventail possible des connaissances de base en électronique (analogique et numérique), électrotechnique, traitement et transport du signal.
– Le premier chapitre, à la lecture facultative, introduit la notion de transformée de Fourier et en établit les propriétés mathématiques;
– Le deuxième chapitre aborde les notions de base des circuits électriques, et présente une approche plus« empirique» des déﬁnitions du chapitre précédent;
– le chapitre suivant expose rapidement les principes de fonctionnement des semi-conducteurs, et présente succintement
transistors bipolaire et MOS;
– Le quatrième regroupe sous le titre« Systèmes analogiques» des champs aussi divers que les notions de ﬁltrage, de bruit dans les composants, de contre réaction, etc. ;
– Le chapitre suivant aborde les « systèmes numériques »: circuits de logique combinatoire ou séquentielle et quelques contraintes techniques liées au traitement numérique de l’information;
– Le sixième chapitre expose brièvement quelques modes de transport de l’information;
– Le dernier introduit quelques concepts-clefs de l’électrotechnique et de l’électronique de puissance: transfor- mateur, systèmes polyphasés, machines électriques et conversion d’énergie;
On trouvera en ﬁn de polycopié un certain nombre d’annexes et un index.
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Parasites radioélectriques

Nous avons étudié dans le paragraphe précédent les sources de « pollution » d’un signal dues aux composants utilisés pour son analyse ou sa production. On peut un peu arbitrairement distinguer maintenant la catégorie des « parasites » radioélectriques, que l’on déﬁnira grossièrement comme le bruit causé par des sources plus ou moins distantes du système utilisé.

Les sources de parasites

Ce paragraphe n’a pas pour ambition de présenter un catalogue exhaustif des différentes sources de parasites, mais simplement d’en faire un inventaire indicatif. Principalement, on distingue:
1. Des parasites d’origine purement électriques:
– Ouverture et fermeture d’interrupteurs, qui s’accompagnent d’arcs électriques, sources de craquements ;
– Présence d’harmoniques de la fréquence du secteur. Par exemple, l’harmonique 350Hz=7 50Hz est souvent relativement puissant. Si un ﬁl électrique mal isolé est placé près d’un câble téléphonique, et que cet harmonique est présent, un ronﬂement se fera entendre dans le combiné, car cette fréquence se trouve dans des domaines audibles;
– Variations de fréquence du secteur;
– Variations d’amplitude du secteur, ces variations pouvant aller jusqu’à de véritables « microcoupures ».
2. Des parasites d’origine météorologique:
– Les éclairs, grandes décharges électriques entre le sol et la base des nuages, ou bien entre la base et le sommet des nuages, provoquent des crépitements (par exemple, sur une radio réglée en grandes ondes).
Les perturbations du champ électrique peuvent se faire sentir bien au-delà de la zone où l’éclair est visible;
– Une gouttelette d’eau est globalement neutre; mais si elle est fragmentée, elle se sépare en deux parties, l’une chargée positivement, l’autre négativement. A grande échelle, le champ électrique ainsi créé peut engendrer des parasites. Le même phénomène est observable avec les cristaux de glace. Une antenne dans une tempête de neige, frappée en permanence par des cristaux de glace de polarités opposées, sera soumise à un champ électrique source de parasites. Dans une moindre mesure, cela est vrai également pour le sable.
3. Des parasites d’origine électrostatique: produits par le frottement sur une moquette, ou bien par certains vêtements. Les micro-décharges provoquées sont sources de craquements dans les postes de radio ou les vieilles télévisions;
4. Des parasites d’origine chimique:
– Un chalumeau, par exemple, ionise l’air qu’il chauffe. Les ions ainsi créés produisent un champ électrique perturbateur;
– La terre renferme des métaux, du fait ou non de l’activité humaine; la corrosion de ces métaux par l’in-ﬁltration des eaux de pluie, par exemple, produit des courants souterrains capables d’introduire de légères ﬂuctuations des prises de terre électriques.
5. Sans compter les autres
– La Terre est traversée de courants dits « telluriques », de faible intensité et dont l’origine est en grande partie inconnue. Ces courants produisent le même phénomène que la corrosion souterraine;
– Il existe également des courants de fuite industriels ou particuliers. Ces courants, qui partent dans la terre, introduisent des déséquilibres dans les masses électriques des appareils;
– La foudre qui tombe au loin fait circuler de manière brève mais intense un courant dans le sol. Selon la nature du terrain, ce courant peut être transporté plus ou moins loin.

Classiﬁcation des parasites

Parasites radioélectriques

Nous avons étudié dans le paragraphe précédent les sources de « pollution » d’un signal dues aux composants utilisés pour son analyse ou sa production. On peut un peu arbitrairement distinguer maintenant la catégorie des « parasites » radioélectriques, que l’on déﬁnira grossièrement comme le bruit causé par des sources plus ou moins distantes du système utilisé.

Les sources de parasites

Classiﬁcation des parasites

La liste précédente est difﬁcilement utilisable telle quelle. Pour permettre un traitement global des sources de parasites, il est plus pratique de les classer suivant la nature de leur propagation, ou leurs effets.
de failles par lesquelles les parasites peuvent pénétrer. Cependant, il n’est souvent pas nécessaire d’exiger une cage parfaitement étanche aux parasites: une cage conductrice grillagée sufﬁt parfois. La taille des trous du grillage permet de sélectionner les longueurs d’onde capables de passer ou non, et dans le cas où les parasites sont bien localisés en fréquence, cette solution, moins onéreuse, est préférée. De plus, une cage permet de limiter l’émission de rayonnement dans l’environnement par le système lui-même.
Ce qu’il faut retenir
– Les parasites peuvent être classés en deux catégories : les parasites par conduction, et les parasites par rayonnement;
– Les parasites par conduction sont éliminés par ﬁltrage fréquentiel, les parasites par rayonnement avec un blindage par une cage conductrice.

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