Titre: Génie Electrique

Auteurs: G. CHAGNON

Ecole/Université: Université Paris VI-Jussieu

Résumé:
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 succinctement 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 contreréaction, 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 : transformateur, systèmes polyphasés, machines électriques et conversion d’énergie ; On trouvera en fin de polycopié quelques annexes et un index.

Energie, puissance : Ainsi qu’on l’a souligné au paragraphe précédent, l’application d’une différence de potentiel aux bornes d’un conducteur permet de mettre en mouvement les charges électriques libres qu’il renferme. Ce faisant, on leur a communiqué de l’énergie cinétique en apportant de l’énergie électrostatique sous la forme de la différence de potentiel imposée. En se ramenant à une unité de temps, on peut introduire une puissance électrique définie comme étant le produit de la tension par le flux de charges par unité de temps dans le conducteur, autrement dit par l’intensité. Il est facile de vérifier que ce produit est effectivement homogène à une puissance : 1V.1A=1(J/C).1(C/s)=1(J/s)=1W.

En 1930, L. LILIENFELD de l’Université de Leipzig dépose un brevet dans lequel il décrit un élément qui ressemble au transistor MOS (Metal Oxyde Semi-conducteur) actuel. Cependant, ce n’est que vers 1960 que, la technologie ayant suffisamment évolué, de tels transistors peuvent être réalisés avec succès. En particulier, les problèmes d’interface oxyde-semi-conducteur ont pu être résolus grâce à l’affinement de la technologie dans le domaine bipolaire, affinement requis pour obtenir des transistors de meilleure qualité. Aujourd’hui le transistor MOS constitue, par sa simplicité de fabrication et ses petites dimensions, l’élément fondamental des circuits intégrés numériques à large échelle.
Extrait du sommaire:

Introduction 11
1 Quelques mathématiques… 12
1.1 Généralités sur les signaux 12
1.1.1 Introduction 12
1.1.2 Les classes de signaux 12
1.1.2.1 Temps continu et temps discret 12
1.1.2.2 Valeurs continues et valeurs discrètes 13
1.1.2.3 Période, fréquence 14
1.1.3 Energie, puissance 14
1.1.3.1 Définitions 14
1.1.3.2 Remarques 14
1.2 La Transformée de Fourier 15
1.2.1 Généralités 15
1.2.1.1 Introduction 15
1.2.1.2 Définitions 15
1.2.2 Propriétés 16
1.2.2.1 Linéarité 16
1.2.2.2 Décalage en temps/fréquence 16
1.2.2.3 Dérivation 17
1.2.2.4 Dilatation en temps/fréquence 17
1.2.2.5 Conjugaison complexe 18
1.2.2.6 Convolution 18
1.2.3 Représentation de Fourier des signaux d’énergie infinie 19
1.2.3.1 Impulsion de Dirac 19
1.2.3.2 Spectre des signaux périodiques 21
1.2.3.3 Cas particulier : peigne de Dirac 22
1.3 Notion de filtre linéaire 24
1.3.1 Linéarité 24
1.3.2 Invariance 24
1.3.3 Fonction de transfert 25
2 Généralités 27
2.1 Le circuit électrique 27
2.1.1 Circuits électriques 27
2.1.2 Courant, tension, puissance 27
2.1.2.1 Courant électrique 27
2.1.2.2 Différence de potentiel 28
2.1.2.3 Energie, puissance 29
2.1.2.4 Conventions générateur/récepteur 29
2.1.3 Lois de Kirchhoff 30
2.1.3.1 Loi des nœuds 30
2.1.3.2 Loi des mailles 30
2.2 Dipôles électriques 31
2.2.1 Le résistor 31
2.2.1.1 L’effet résistif 31
2.2.1.2 Loi d’Ohm 31
2.2.1.3 Aspect énergétique 32
2.2.1.4 Associations de résistors 32
2.2.2 La bobine 33
2.2.2.1 Les effets inductif et auto-inductif 33
2.2.2.2 Caractéristique tension/courant d’une bobine 33
2.2.2.3 Aspect énergétique 34
2.2.3 Le condensateur 34
2.2.3.1 L’effet capacitif 34
2.2.3.2 Caractéristique tension/courant d’un condensateur 34
2.2.3.3 Aspect énergétique 34
2.3 Régime sinusoïdal, ou harmonique 35
2.3.1 Définitions 35
2.3.2 Puissance en régime sinusoïdal 35
2.3.2.1 Puissance en régime périodique 35
2.3.2.2 Puissance instantanée en régime sinusoïdal 35
2.3.2.3 Puissance moyenne en régime sinusoïdal 36
2.3.3 Représentation complexe d’un signal harmonique 36
2.3.4 Impédances 37
2.3.4.1 Rappel : caractéristiques tension/courant 37
2.3.4.2 Impédance complexe 37
2.3.4.3 Associations d’impédances 38
2.4 Spectre et fonction de transfert 38
2.4.1 Spectre d’un signal 38
2.4.1.1 Introduction 38
2.4.1.2 Signaux multi périodiques et apériodiques 39
2.4.2 Fonction de transfert 40
3 Du semi-conducteur aux transistors 42
3.1 Les semi-conducteurs 42
3.1.1 Semi-conducteurs intrinsèques 42
3.1.1.1 Réseau cristallin 42
3.1.1.2 Définitions 42
3.1.1.3 Exemples 43
3.1.2 Semi-conducteurs extrinsèques de type n 43
3.1.2.1 Réseau cristallin 43
3.1.2.2 Définitions 43
3.1.2.3 Modèle 43
3.1.3 Semi-conducteurs extrinsèques de type p 44
3.1.3.1 Réseau cristallin 44
3.1.3.2 Définition 44
3.1.3.3 Modèle 44
3.2 La jonction PN 45
3.2.1 Introduction 45
3.2.2 Description 45
3.2.3 Définitions 46
3.2.4 Barrière de potentiel 46
3.2.5 Caractéristique électrique 47
3.2.5.1 Description 47
3.2.5.2 Définitions 48
3.2.5.3 Caractéristique et définitions 48
3.3 Le transistor bipolaire 49
3.3.1 Généralités 49
3.3.1.1 Introduction 49
3.3.1.2 Définitions 49
3.3.1.3 Hypothèse 50
3.3.1.4 Transistor au repos 50
3.3.2 Modes de fonctionnement du transistor 51
3.3.2.1 Définitions 51
3.3.2.2 Blocage 51
3.3.2.3 Fonctionnement normal inverse 52
3.3.2.4 Fonctionnement normal inverse 52
3.3.2.5 Saturation 52
3.4 Le transistor MOS 53
3.4.1 Introduction 53
3.4.2 Définitions et principe de fonctionnement 53
4 Systèmes analogiques 55
4.1 Représentation quadripolaire 55
4.1.1 Introduction 55
4.1.2 Matrice de transfert 55
4.1.3 Exemple 56
4.1.4 Impédances d’entrée/sortie 56
4.2 Contreréaction 58
4.2.1 Généralités 58
4.2.1.1 Introduction 58
4.2.1.2 Conventions 59
4.2.1.3 Un exemple d’intérêt du bouclage 59
4.2.2 Un peu de vocabulaire… 60
4.2.2.1 Les signaux 60
4.2.2.2 Les (branches) de la boucle 60
4.2.2.3 Les gains 60
4.2.3 Influence d’une perturbation 61
4.2.4 Exemples de systèmes à contreréaction 61
4.2.4.1 Exemple détaillé : une file de voitures sur l’autoroute 61
4.2.4.2 Autres exemples 62
4.3 Diagramme de Bode ; Gabarit 62
4.3.1 Diagramme de Bode 62
4.3.1.1 Définition 62
4.3.1.2 Exemple 63
4.3.1.3 Les types de filtres 64
4.3.2 Gabarit 65
4.4 Bruit dans les composants 66
4.4.1 Densité spectrale de puissance 66
4.4.2 Les types de bruit 67
4.4.2.1 Bruit thermique 67
4.4.2.2 Bruit de grenaille 68
4.4.2.3 Bruit en 1=f 68
4.4.2.4 Bruit en créneaux 69
4.4.3 Bruit dans un dipôle 69
4.4.3.1 Température équivalente de bruit 69
4.4.3.2 Rapport de bruit 70
4.4.4 Facteur de bruit 70
4.4.4.1 Définition 70
4.4.4.2 Température de bruit 70
4.4.4.3 Facteur de bruit d’un quadripôle passif 71
4.4.4.4 Théorème de Friiss 71
4.5 Parasites radioélectriques 73
4.5.1 Les sources de parasites 73
4.5.2 Classification des parasites… 73
4.5.2.1.. par leur propagation 74
4.5.2.2.. par leurs effets 74
4.5.3 Les parades 74
5 Systèmes numériques 76
5.1 Introduction 76
5.1.1 Généralités 76
5.1.2 Représentation logique 76
5.1.3 Familles de portes logiques 77
5.2 Logique combinatoire 77
5.2.1 Les opérateurs de base 77
5.2.1.1 Les opérateurs simples 77
5.2.1.2 Propriétés 78
5.2.1.3 Les opérateurs ( intermédiaires ) 79
5.2.2 Table de Karnaugh 80
5.2.2.1 Principe 80
5.2.2.2 Code binaire réfléchi 80
5.2.2.3 Exemple 80
5.2.3 Quelques fonctions plus évoluées de la logique combinatoire 81
5.2.3.1 Codage, décodage, transcodage 81
5.2.3.2 Multiplexage, démultiplexage 82
5.2.4 Fonctions arithmétiques 83
5.2.4.1 Fonctions logiques 83
5.2.4.2 Fonctions arithmétiques 83
5.2.5 Mémoire morte 84
5.2.6 Le PAL et le PLA 85
5.2.6.1 Le PAL 85
5.2.6.2 Le PLA 85
5.3 Logique séquentielle 86
5.3.1 Généralités 86
5.3.1.1 Le caractère séquentiel 87
5.3.1.2 Systèmes synchrones et asynchrones 87
5.3.1.3 Exemple : bascule RS asynchrone 87
5.3.2 Fonctions importantes de la logique séquentielle 88
5.3.2.1 Bascules simples 88
5.3.2.2 Bascules à fonctionnement en deux temps 90
5.3.2.3 Registres (ensembles de bascules) 91
5.3.3 Synthèse des systèmes séquentiels synchrones 93
5.3.3.1 Registres de bascules 93
5.3.3.2 Compteur programmable 93
5.3.3.3 Unité centrale de contrôle et de traitement (CPU) : microprocesseur 94
5.4 Numérisation de l’information 95
5.4.1 Le théorème de Shannon 95
5.4.1.1 Nécessité de l’échantillonnage 95
5.4.1.2 Exemple : échantillonnage d’une sinusoïde 95
5.4.1.3 Cas général 96
5.4.2 Les échantillonneurs 97
5.4.3 Convertisseur analogique/numérique (CAN) 98
5.4.3.1 Généralités 98
5.4.3.2 Les caractéristiques d’un CAN 98
5.4.3.3 Quelques CAN 98
5.4.4 Convertisseur numérique/analogique (CNA) 100
5.4.4.1 Généralités 100
5.4.4.2 Un exemple de CNA 100
5.4.4.3 Applications des CNA 101
6 Transmission de l’information 102
6.1 Généralités 102
6.1.1 Quelques dates 102
6.1.2 Nécessité d’un conditionnement de l’information 102
6.1.3 Transports simultanés des informations 103
6.1.4 Introduction sur les modulations 103
6.2 Emission d’informations 104
6.2.1 Modulation d’amplitude 104
6.2.1.1 Introduction 104
6.2.1.2 Modulation à porteuse conservée 104
6.2.1.3 Modulation à porteuse supprimée 106
6.2.2 Modulations angulaires 106
6.2.2.1 Introduction 106
6.2.2.2 Aspect temporel 107
6.2.2.3 Aspect fréquentiel de la modulation de fréquence 108
6.3 Réception d’informations 108
6.3.1 Démodulation d’amplitude 109
6.3.1.1 Démodulation incohérente 109
6.3.1.2 Détection synchrone 110
6.3.2 Démodulation angulaire 110
7 Notions d’électrotechnique 112
7.1 Le transformateur monophasé 112
7.1.1 Description, principe 112
7.1.1.1 Nécessité du transformateur 112
7.1.1.2 Principe du transformateur statique 112
7.1.2 Les équations du transformateur 113
7.1.2.1 Conventions algébriques 113
7.1.2.2 Détermination des forces électromotrices induites 114
7.1.2.3 Le transformateur parfait 114
7.2 Systèmes triphasés 115
7.2.1 Définition et classification 115
7.2.1.1 Définition d’un système polyphasé 115
7.2.1.2 Systèmes direct, inverse et homopolaire 116
7.2.1.3 Propriétés des systèmes triphasés équilibrés 116
7.2.2 Associations étoile et triangle 117
7.2.2.1 Position du problème 117
7.2.2.2 Association étoile 118
7.2.2.3 Association triangle 118
7.2.2.4 Bilan 118
7.2.3 Grandeurs de phase et grandeurs de ligne 119
7.2.3.1 Définitions 119
7.2.3.2 Relations dans le montage étoile 119
7.2.3.3 Relations dans le montage triangle 120
7.2.3.4 Bilan 120
7.3 Les machines électriques 121
7.3.1 Généralités 121
7.3.1.1 Mouvement d’un conducteur dans un champ d’induction magnétique uniforme 121
7.3.1.2 Le théorème de Ferraris 122
7.3.2 La machine à courant continu (MCC) 122
7.3.2.1 Principe de la machine 122
7.3.2.2 Réalisation 123
7.3.2.3 Modèle 123
7.3.2.4 Excitation parallèle, excitation série 124
7.3.3 La machine synchrone 125
7.3.4 La machine asynchrone 125
7.4 Conversion d’énergie 126
7.4.1 Introduction 126
7.4.2 Les interrupteurs 127
7.4.2.1 Principe de fonctionnement 127
7.4.2.2 Les types d’interrupteurs 128
7.4.3 Le redressement 128
7.4.3.1 Montages à diodes 128
7.4.3.2 Montage à thyristors 130
7.4.4 L’ondulation 131
7.4.4.1 Généralités 131
7.4.4.2 Exemple d’onduleur 131

Cours lois électriques 21
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