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Projet de fin d’études FSB 2012/2013

Chapitre1 : Etude de système éolien

1.1 Présentation

Une éolienne est un dispositif qui permet de capter l’énergie cinétique du vent pour la

transformer en électricité. On parle d’aérogénérateur.

Le vent fait tourner les pales du rotor, qui est relié à une génératrice pour produire de

l’électricité. Celle-ci est stockée dans des batteries, soit directement envoyée sur le réseau

électrique.

1.2 Les catégories des éoliennes :

Généralement les éoliennes sont devisées en 4 catégories :

La grande éolienne : puissance > 350 kW

La moyenne éolienne : puissance entre 36 kW et 350 kW

La petite éolienne : puissance entre 1 kW et 36 kW

La très petite éolienne : puissance < 1 kW

Les petites et moyennes éoliennes sont particulièrement bien adaptées pour

l’équipement des particuliers, des exploitants agricoles, des entreprises et des bâtiments

publics.

1.3 Caractéristiques des éoliennes :

La puissance électrique d’une éolienne :

La puissance électrique d’une éolienne s’exprime en Watt, kilowatt (kW) ou Mégawatt

(MW). Elle définit la quantité d’énergie électrique instantanée que l’éolienne produise à

vitesse nominale.

L’énergie produite par une éolienne :

La quantité totale d’énergie électrique produite par une éolienne sur une période

donnée est généralement exprimée en « kilowatt heures » (kWh), c'est-à-dire la puissance de

production multipliée par la durée de production.

Par exemple, une éolienne de 5 kW qui tournerait à vitesse nominale pendant 1000

heures produirait 5000 kWh.

1


La consommation d’électricité :

De manière symétrique la consommation d’énergie électrique est le produit de la

puissance consommée par les appareils électriques multipliée par leur durée d’utilisation.

Par exemple, une ampoule électrique de 100 W allumée pendant 2 heures par jour, consomme

sur une année 100*2*365 soit 73 kWh.

La taille d’une éolienne :

Il existe des éoliennes de plusieurs tailles. Plus elles sont grandes, plus elles peuvent

capter l’énergie cinétique du vent et produire de l’électricité.

Les très petites éoliennes pour bateaux font moins de 60 cm pour une puissance de

quelques centaines de Watts. A l’opposé, les grandes éoliennes industrielles de plusieurs MW

dépassent les 80 m de diamètre. Les petites et moyennes éoliennes correspondent à des tailles

comprises entre 3 et 30 m.

Fonctionnement :

Une éolienne permet de transformer l'énergie cinétique du vent en énergie électrique.

Elle se compose d’éléments suivants :

Un mât permet de placer le rotor à une hauteur suffisante pour permettre son

mouvement (nécessaire pour les éoliennes à axe horizontal) et/ou placer ce rotor à

une hauteur lui permettant d'être entraîné par un vent plus fort et régulier qu'au

niveau du sol. Le mât abrite généralement une partie des composants électriques et

électroniques (modulateur, commande, multiplicateur, générateur, etc.).

Un rotor, composé de plusieurs pales (en général trois) et du nez de l'éolienne. Le

rotor est entraîné par l'énergie du vent, il peut être couplé directement ou

indirectement à une pompe (cas des éoliennes de pompage) ou plus généralement à

un générateur électrique. Le rotor est relié à la nacelle par le moyeu.

Une nacelle montée au sommet du mât, abritant les composants mécaniques,

pneumatiques, certains composants électriques et électroniques, nécessaires au

fonctionnement de la machine.

Dans le cas des éoliennes produisant de l'électricité, un poste de livraison situé à

proximité du parc éolien permet de relier ce parc au réseau électrique pour y

injecter l'intégralité de l'énergie produite par ce mat électromagnétique.

2


Figure [1.3]: Les composants d’une éolienne

1.4 Avantages et inconvénients de l’énergie éolienne :

Avantages :

L’énergie éolienne est une énergie renouvelable qui peut être jugée idéale parce que :

il s’agit d’une forme d’énergie indéfiniment durable et propre ;

elle ne nécessite aucun carburant ;

elle ne produit pas de déchets toxiques ou radioactifs car une éolienne est

entièrement en métal et plastique.

lorsque de grands parcs d’éoliennes sont installés sur des terres agricoles,

seulement 2 % du sol environ est requis pour les éoliennes. La surface restante est

disponible pour l’exploitation agricole, l’élevage et d’autres utilisations ;

les propriétaires fonciers reçoivent souvent un paiement pour l’utilisation de leur

terrain, ce qui augmente leur revenu ainsi que la valeur du terrain.

la propriété des aérogénérateurs par des particuliers et la communauté permet aux

gens de participer directement à la conservation de notre environnement. La

présence d’éolienne montre le souci environnemental de ces personnes ;

Inconvénients :

les riverains craignent généralement une dégradation de l’aspect visuel des sites

concernés ;

3

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/21/Schema_eolienne.svg


les riverains déplorent le bruit des éoliennes, et craignent un impact sur

l’écosystème induit par ce bruit associé aux interférences électromagnétiques

induites par leurs générateurs. Le bruit peut être d’origine mécanique ou

aérodynamique. Les éoliennes installées actuellement produisent un bruit de 55

décibels à leur pied ;

la réception des ondes hertziennes peut être perturbée, ce qui provoque une image

bruitée sur les récepteurs de télévision analogique.

des flashs très puissants sont émis toutes les cinq secondes en haut des mâts

d’éoliennes à la demande de l’aviation civile. Ces flashs perturbent la quiétude

nocturne de la campagne et sont une pollution lumineuse supplémentaire ;

les éoliennes peuvent constituer pour la migration des oiseaux un obstacle mortel.

les parcs éoliens produisent des interférences avec les radars, en particulier avec

les radars météorologiques.

par son principe de fonctionnement même, une éolienne absorbe l’énergie du vent

et le rend turbulent, créant ainsi un effet de sillage jusqu’à 10 diamètres de rotor

derrière elle.

Les éoliennes menacent la sécurité des riverains : chute, bris de pales, blocs de

glaces, incendie.

elle ne créé pas ou peu d’emploi;

Conclusion :

Dans cette partie on a fait une présentation de deux systèmes photovoltaïque et éolien,

ainsi que leurs principes de fonctionnement.

On a décrit ses différentes caractéristiques théoriques, techniques, électriques et

mécaniques et on a présenté les modèles utilisés qui sont régis avec des équations et des

paramètres appropriés à chacun permettant de faire la simulation des évolutions dynamiques

et de calculer les performances de ces systèmes.

Pour avoir une idée sur les perspectives d’un système on a cité ses avantages et ses

inconvénients.

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2.1 Données et caractéristiques techniques d’un Système

éolien :

Un système éolien peut être autonome ou connecté au réseau. Pour éviter le coût de

stockage, l’injection au réseau est la meilleure solution généralement utilisée surtout en

éolien.

Figure[3.3] : Schéma de principe d’une installation éolienne raccordé au réseau

2.2 Choix d’éoliennes :

a) Type d’éolienne :

Sur le plan aérodynamique, on peut comparer les différents types des turbines en

comparant leurs coefficients aérodynamiques de puissance ou de couple en fonction de la

vitesse normalisée λ.

Les éoliennes généralement utilisées pour la production d’énergie électrique sont les

éoliennes rapides à deux ou trois pales et ceci pour plusieurs raisons :

Elles sont plus légères, donc moins chères

Elles tournent plus vite. Le multiplicateur de vitesse à utiliser pour l’entrainement du

générateur électrique pourra de ce fait, présenter un rapport de multiplication plus

faible et sera plus léger.

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Le couple nécessaire pour la mise en route d’un générateur électrique est très faible.

Bien que le couple de démarrage des éoliennes rapides soit lui-même faible, il est

suffisant pour entrainer hélice et générateur en rotation.

Les machines employées sont à pales fixes ou orientables.

b) Type de la génératrice :

Une éolienne peut être construite avec une génératrice synchrone ou asynchrone

raccordée au réseau sous plusieurs formes, directement ou indirectement.

Génératrice asynchrone :

Les machines électriques asynchrones sont les plus simples à fabriquer et les moins

coûteuses. Elles ont l’avantage d’être standardisées, fabriquées en grande quantité et dans une

très grande échelle des puissances. Elles sont aussi les moins exigeantes en termes d’entretien

et présentent un taux de défaillance très peu élevé.

Dans les grandes installations on utilise soit des alternateurs soit des génératrices

asynchrones.

La facilité d’accrochage de la génératrice asynchrone sur le réseau, sa robustesse,

l’absence de contact tournant lui confèrent des avantages appréciables. On peut coupler la

machine avec un écart important par apport à la vitesse de synchronisme.

L’inconvénient de la génératrice asynchrone réside dans le fait qu’elle absorbe de la

puissance réactive. Si la puissance débitée par l’éolienne est importante, il est nécessaire

d’améliorer le cos de l’installation par l’emploi de batterie de condensateurs ou d’un groupe

synchrone.

Génératrices Synchrones :

Les générateurs synchrones utilisés dans le domaine éolien, ceux de 500 kW à 2

MW sont bien plus chers que les générateurs à induction de la même taille. De plus, lorsque

ce type des machines est directement connecté au réseau, sa vitesse de rotation est fixe et

proportionnelle à la fréquence du réseau.

En conséquence de cette grande rigidité de la connexion génératrice - réseau, les

fluctuations du couple capté par l’aéroturbine se propagent sur tout le train de puissance,

jusqu’à la puissance électrique produite. C’est pourquoi les machines synchrones ne sont pas

utilisées dans les aérogénérateurs directement connectés au réseau. Elles sont par contre

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utilisées lorsqu’elles sont connectées au réseau par l’intermédiaire des convertisseurs de

puissance.

Dans cette configuration, la fréquence du réseau et la vitesse de rotation de la machine

sont découplées. Cette vitesse peut par conséquent varier de sorte à optimiser le rendement

aérodynamique de l’éolienne et amortir les fluctuations du couple dans le train de puissance.

2.4 Système éolien :

Une éolienne se modélise principalement à partir de ces caractéristiques

aérodynamique, mécanique et électrotechnique.

Dans notre étude on s’intéresse à l’éolienne à axe horizontal qui est une hélice

perpendiculaire au vent et qui est la plus utilisée dans le monde. La hauteur est généralement

de 20 m pour les petites éoliennes.

c) Puissance récupérable

La théorie globale d’une éolienne a été établie par l’Allemand Albert Betz en 1919.

Elle explique simplement le processus d’extraction de l’énergie cinétique contenue dans le

vent. La puissance du vent contenue dans un cylindre de section S est donc :

Avec :

ρ: masse volumique de l’air (air atmosphérique sec, environ : 1,23 kg/m3 à 15 °C et à pression atmosphérique 1,0132 bar)

V : vitesse de vent en m/s Cette puissance est une puissance théorique, il est bien sûr impossible qu'elle soit

récupérée tel quelle par une éolienne (cela reviendrait à « arrêter le vent »).

d) formule de Betz

Selon la formule de Betz, la puissance récupérable est inférieure, puisque l'air doit

conserver une énergie cinétique résiduelle pour qu'il subsiste un écoulement. La puissance

maximale récupérable est donc:

Pmax=1627

P cinétique= 827

. S .V 3

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Figure [3.8]: Principe de Betz

Le rendement maximal théorique d'une éolienne est ainsi fixé à environ 59,3 %. Ce

chiffre ne prend pas en compte les pertes d'énergie occasionnées lors de la conversion de

l'énergie mécanique du vent en énergie électrique.

Soit V= Vwind : la vitesse de vent en amont

Paér=Cp( ,) . S .V wind3

2

Cp(,) est le coefficient de puissance de l’éolienne, sa valeur théorique maximale dite limite

de Betz est Cmax=0 .593, elle varie en fonction de et tel que :

: Angle d’orientation des pales (appelé aussi’ pas’’)

: Est une vitesse spécifique définie comme étant le rapport entre la vitesse linéaire des pales

et celle du vent :

λ=Ω . RVind

Avec Ω : vitesse angulaire de rotation des pales, R : rayon de la pale

Chapitre 2 : Etude d’un onduleur

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2. Élévation de tension

La majorité des sources fournissent l'énergie électrique sous forme d'un bus de tension continu sont

généralement de très basse tension. Néanmoins, le caractère dévolteur de l'onduleur de tension

représente une limitation pour la tension aux bornes de la charge lorsque la source continue est de

très basse tension. D’une façon générale, lorsque l'on souhaite obtenir des tensions, côté alternatif,

supérieures à la tension du bus continu, deux solutions sont couramment utilisées. La première

solution met en œuvre deux convertisseurs (un hacheur survolteur et un onduleur) en cascade (Figure

3.1).

Cette configuration présente l’inconvénient d'utiliser des circuits de commande supplémentaires. De

plus, elle engendre des pertes dans ces interrupteurs, mais reste avantageux par rapport à la solution

qui engendre l’utilisation d’un transformateur élévateur en aval de l’onduleur car on veut comme

sortie de l’onduleur une tension alternative de fréquence variant entre 50hz et 60khz et donc éviter

l’encombrement de transformateur, de plus le développement des transistors MOS minimise

beaucoup les pertes (figure 3.2).

Figure 3.1. Hacheur survolteur associé d’un onduleur de tension

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Figure 3.2. Onduleur de tension associé d’un transformateur élévateur

3. étude et conception d’un onduleur autonome

L'onduleur est un convertisseur statique continu/alternatif qui assure des échanges d'énergie entre

une source et une charge. Il permet d'alimenter la charge en alternatif, à une fréquence fixe ou

variable à partir d'une source de puissance continue (bus continu fabriqué par soit une ou des

batterie(s), des redresseurs, des panneaux solaires etc...). L'onduleur autonome alimente la charge à

une fréquence identique à la fréquence de son circuit de commande.

Figure 3.3. Convertisseur Continu (DC) - Alternatif (AC)

On se propose dans cette partie d’étudier les onduleurs autonomes. Ces derniers fixent eux-mêmes la

fréquence et la valeur efficace de leur tension de sortie et c’est ce qu’on cherche pour délivrer des

signaux à des fréquences élevés au voisinage de 60khz.

3.1. Montages pratiques

Deux types de montages sont utilisés :

soit le montage en demi pont de la figure 3.4et figure 3.5

soit le montage en pont de la figure 3.6

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Figure 3.4. Montage onduleur en demi pont (diviseur capacitif)

Figure 3.5. Montage onduleur en demi pont avec transformateur à point milieu

Figure 3.6. Montage onduleur en pont

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L’intérêt des montages en pont ou en demi pont réside dans l’utilisation d’une seule source de

tension continue E.

Les montages demi pont à deux interrupteurs : nécessitent un point milieu pour fabriquer une

tension alternative à partir d'une tension continue, donc soit avec un transformateur à point milieu

soit avec un déviseur capacitif.

Le montage en pont, bien que plus complexe (4 interrupteurs à commander au lieu de 2) est de plus

en plus utilisé du fait que l’on dispose de semi-conducteurs de moins en moins onéreux à puissance

commutée fixe. En outre, dans le montage en demi pont, la tension aux bornes des condensateurs

fluctue toujours, ce qui rend difficile l’équilibrage du pont. Aussi la fabrication des transformateurs à

point milieu est un peut difficile. C’est pour cela que nous avons choisit de travailler avec l’onduleur

en pont. Il nous reste à choisir le mode de commande.

3. 2. Onduleurs en pont (ou en H)

Cette représentation d'onduleur représenté ci-dessous utilise deux bras (H1-H4) et (H2-H3) à

interrupteurs en série. L'onduleur en pont ne nécessite pas de source de tension d'alimentation à

point milieu .Il peut être commandé d’une manière symétrique ou décalée

Figure 3.7. Montage en pont

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3. 2.1. Choix de type de commande

Il deux mode de commande les plus simple à utiliser et qui conviennent pour le bon fonctionnement

d’une lampe sont : commande symétrique et décalée.

Commande symétrique :

Le principe de fonctionnement est le suivant :

Dans l'intervalle [0 < < 2 ], les deux interrupteurs H1 et H3 sont fermés.

Alors le point O1 est au potentiel de A, et le point O2 est au potentiel de B, donc on a :

U (t) = VA - VB = E

Puis, dans l'intervalle [ < < 2 ], les interrupteurs H2 et H4 sont fermés. Le point O1 se retrouve au

potentiel de B, et le point O2 est au potentiel de A.

U (t) = VB - VA = - E

On remarquera que lors d'une commande symétrique, les fermetures des deux bras d'interrupteurs

sont dans ce cas décalées de l'angle ce qui conduit à une valeur efficace U de la tension u(t) égale à :

U = E

Enfin, l'onde u (t) présente une symétrie par rapport à l'origine O, et sa série de Fourier est constituée

par des termes en sinus de rangs impairs :

u( t )= 4 .Eπ (sinθ+1

3sin 3θ+ 1

5sin 5θ+ 1

7sin 7θ+. .. . .. .. .

1K

sinKθ) K étant un entier impair.

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La qualité de l'onde de tension obtenue sera évaluée par le THD, ou taux d'harmonique ramené au

fondamental (THD idéal = 0%). On pourrait aussi calculer le THD du courant, mais celui dépend

également de la charge.

THD=

√∑n=2

∞

Vneff

2

V 1eff

La série de Fourier est :

V ( t )=E

4Π ∑

K=0

∞ 12k+1

sin(2k+1 )wt

Le THD est très mauvais, de l'ordre de 48% :

THD=√∑1

∞ 1(2k+1)2

≈048

Commande décalée :

Les fermetures des deux bras d'interrupteurs sont décalée de l'angle ( + )

Signal de sortie

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Figure 3.8. Allure de la tension de sortie pour une commande décalé

Evaluons la valeur efficace U de l'onde décalée :

U2= 1π∫β

π

E2dθ=2. E2( 12− β

2.π )

Nous pouvons ainsi en réglant l’angle, faire varier la valeur efficace de la tension rectangulaire U (t).

U=E .√1− βπ

Afin d'écrire simplement la série de Fourier de l'onde u (t), nous faisons effectuer à l'axe des

ordonnées, une translation vers la droite d'un angle α= β

2

Nous obtenons ainsi l'onde U(t) décalée de et symétrique par rapport à l'origine O. La série de

Fourier est maintenant constituée par des termes impairs en sinus :

uα ( t )=4 . Eπ ((cos α ) . sinθ+1

3(cos3α ) . sin 3θ+ 1

5(cos5α ) sin 5θ+ .. .. . .. ..

1K

(cosKα )sin Kθ)

Rque : Si =30° tous les termes impairs multiples de trois s’annulent.

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Comme V2eff=V21eff+ V22eff+ V23eff+ V24eff +etc

Il vient :

THD=

√∑n=2

∞

Vneff

2

V 1eff =√V 2

eff−V21 eff

V 1 eff

Sachant que V eff=

E2√2

∏ ¿cos (α ) ¿

et que V eff=E .√1−2α

π

On déduit que THD%=100 √∏2

−2α∏−8 cos2α

2√2cos α

D’après la variation de la THD en fonction de l’angle α on tire l’angle optimum qui donne le moindre

possible du pourcentage d’harmonique (β=46°).

On remarque bien qu’avec une commande décalée on peut minimiser le THD qui peut arriver à 29%

pour une angle de conduction des interrupteurs =46 (~T/4).

Tous ces avantages nous guide d’utiliser cette technique de commande qui est encore simple à

réaliser.

Les allures du courants, de la tension du récepteur et courant délivré par le hacheur seront

données avec le logiciel PSIM dans le cas d'une charge RL.

Figure 3.9. Onduleur en créneaux

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Figure 3.10. Allures des signaux de sortie pour une commande décalée

4. Rôle et constitution des différents blocs

Après choisir la structure de l’onduleur nécessaire pour l’application et sa mode de

commande: onduleur à pont complet avec commande décalée dans le but de minimiser les

harmoniques, nous allons décrire les différents parties du montage.

Le montage est constitué de 3 blocs comme l'indique le schéma de principe suivant :

Figure 3.11. Schéma synoptique de circuit de commande

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4.1. Partie puissance : onduleur en pont à 4 interrupteurs

La source de tension continue est générée par on hacheur :on a une structure en pont comprenant 4

interrupteurs bidirectionnels constitués chacun d'un transistor MOS de puissance et d'une diode de

récupération, nécessaire lors du fonctionnement sur charge R-L.

Figure 3.12. Structure de l’interrupteur Ti

Le choix technologique d’adopter des transistors MOS comme interrupteurs se justifie par le fait que

ceux-ci sont 10 fois plus rapides à la commutation que les transistors bipolaires, de plus d’après la

figure 3.13 qui définit le choix de l’interrupteur suivant la tension et la fréquence du fonctionnement :

pour une tension < 1200V et une fréquence > 20 kHz les interrupteurs les plus adaptés sont les

transistors MOS.

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Figure 3.13. Performances des interrupteurs

Les interrupteurs de puissance sont choisit généralement suivant les deux propriétés : courant

maximal et tension drain-source continue qui peuvent supporter.

Vds maxi = E et Id = 5A

On a choisi des STP5N80 de caractéristiques : Vds = 500V, Id = 5A et RDSon = 0.12 Ω.

Concernant les diodes de récupération, nous utiliserons la diode interne du MOS.

4.2. Génération des signaux de commande des transistors MOS : Utilité du DRIVER de

MOS IR2110

Le transistor MOS se commande en tension. Pour le bloquer, on applique entre sa grille et sa source,

une tension Vgs = 0 (c'est-à-dire un niveau logique bas).

Pour le saturer, il faut appliquer une tension entre sa grille et sa source, Vgs supérieure à la tension

de seuil (au moins 10V en pratique), donc un niveau logique haut.

D'autre part, de par sa constitution, le MOS est équivalent entre grille et source à un condensateur

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qu'il faut donc charger.

Figure 3.14. Structure d’un transistor MOS

Pour le charger vite et diminuer ainsi les temps de commutation, il faut envoyer un fort courant.

Figure 3.15. Pic de courant > 0 ou <0 pour avoir une commande énergique des MOS

Le MOS ne peut pas donc être commandé par une porte logique, il faut utiliser un dispositif

comportant un étage de puissance. C'est ce que réalise le IR2110.

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3.2.1 Electronique réalisant les signaux de la commande décalée

Son but est de générer les signaux logiques de commande des interrupteurs, qui seront envoyés sur les

entrées du IR2130, cette commande devant être séquencée de la façon suivante :

Pour commander à la fermeture un transistor, il faut mettre l'entrée correspondante du IR2110 au

niveau logique "1". Pour le commander à l'ouverture, il faut mettre l'entrée correspondante au

niveau logique "0".

On doit donc générer les signaux suivants :

Figure 3.16. Signaux de commande

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Pour obtenir ces signaux, on réalise d'abord un générateur des signaux rectangulaires à base du

Timer NE555 dont son fonctionnement est le suivant :

Le circuit interne du 555 est constitué de deux comparateurs (C1 et C2) dont seuls, l’entrée

non inverseuse de C1 et l’entrée inverseuse de C2 sont accessibles de l’extérieur. Les deux

autres entrées de ces comparateurs sont alimentées en interne par un diviseur de tension

constitué par trois résistances R de valeurs égales. De ce fait, le seuil de changement des

comparateurs est égal à 1/3 de Vdd pour C2 et 2/3 de Vdd pour C1. Supposons que le

condensateur C est déchargé : Il se charge à travers de Ra en série avec Rb. Lorsque la

tension à ses bornes atteinte 2/3 de Vdd, le comparateur C1 change d’état et fait basculer la

bascule R-S (Q = 1) Le transistor est donc rendu conducteur et C se décharge alors à travers

Rb. Cette décharge se poursuit jusqu’à ce que la tension aux bornes de C soit égale à 1/3 de

Vdd. À ce moment là, le comparateur C2 change d’état et fait basculer la bascule R-S (Q = 0),

bloquant à nouveau le transistor. Ce cycle se répète ainsi indéfiniment.

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