DUT GEII - UE2 Génie électrique

Electricité, électrotechnique, électronique de puissance

Objectifs généraux

L'électricité et l'électrotechnique sont des disciplines fondamentales pour un diplômé GEII qui devra, quel que soit son secteur d'activité, maîtriser les circuits électriques. L'objectif essentiel en 1ère année est d'appréhender le fonctionnement de ces circuits électriques et de connaître les principales lois s'y rapportant, en vue de modéliser ces circuits en régimes continu ou variable.
Le module électrotechnique traite les bases de l'électrostatique et de l'électromagnétisme pour pouvoir analyser les premiers composants de la conversion d'énergie : transformateurs et machines à courant continu. Une introduction à l'électronique de puissance est effectuée à travers les redresseurs.
La conversion d'énergie électrique est la notion essentielle en deuxième année. L'électronique de puissance se rapporte à la conversion statique et à ses composants alors que la conversion électromécanique est traitée sous l'aspect variation de vitesse pour les machines à courant alternatif. Deux modules optionnels complètent cette formation pour l'option EEP avec un approfondissement du tronc commun et un module sur la distribution électrique.
Enfin, la sécurité électrique est intégrée à ces enseignements en 1ère année pour les bacheliers scientifiques et en 2ème année pour l'option EEP (Préparation à l'habilitation électrique B2V).

Module ELT 11 : Analyse des signaux et circuits électriques

Horaire : 69 heures (C : 25 h ; TD : 24 h ; TP : 20 h)
Objectifs professionnels

  • Décrire les signaux élémentaires de l'électricité et leurs grandeurs caractéristiques dans les domaines temporels et fréquentiels. Connaître les principales relations temps - fréquence
  • connaître et appliquer les lois générales de l'électricité en régime continu et en régime sinusoïdal monophasé et triphasé
  • savoir calculer un courant, une tension, une puissance, une impédance, un modèle équivalent
  • connaître les comportements fondamentaux des systèmes du 1er et du 2ème ordre dans le domaine temporel et dans le domaine fréquentiel
  • utiliser un logiciel de simulation pour comprendre le comportement d'un circuit électrique préalablement modélisé et prévoir ses réponses caractéristiques
  • mesurer, avec une instrumentation appropriée, une grandeur électrique ou une impédance
  • caractériser expérimentalement un système continu par une réponse indicielle et/ou par une réponse en fréquence
  • avoir un regard critique sur les résultats d'analyse, de simulation, de mesures
  • être sensibilisé aux risques électriques et préparé à l'habilitation électrique

Programme

  • Analyse des signaux analogiques
    • classification des signaux
    • description temporelle des signaux de base et de leurs grandeurs caractéristiques. relations grandeurs simples, grandeurs composées
    • description fréquentielle des signaux périodiques quelconques
  • Analyse des circuits électriques
    • lois générales de l'électricité en régime continu et en régime sinusoïdal monophasé et triphasé
    • notions d'impédance complexe et de puissance complexe
    • couplage de récepteurs
    • notions de déséquilibre en courant basées sur la représentation de Fresnel
  • Analyse des systèmes continus. Systèmes fondamentaux du 1er et du 2ème ordre :
    • classification des systèmes
    • descriptions temporelles et fréquentielles des systèmes linéaires, relations temps-fréquence
    • représentation graphique du comportement fréquentiel, diagramme de bode
    • comportements temps et fréquence des systèmes fondamentaux du 1er et 2ème ordre
  • Logiciels de description et de simulation des signaux, circuits et composants
    • outils de description et de simulation analogique
    • outils de description système ou fonctionnelle
  • Sécurité électrique
    • sensibilisation aux problèmes de sécurité en vue des travaux pratiques
    • notions sur l'appareillage électrique
    • préparation à la certification de niveau B1V

Module ELT 12 : Électrotechnique et électronique de puissance

Horaire : 68 heures (C : 20 h ; TD : 24 h ; TP : 24 h)
Objectifs professionnels

  • Connaître les principales notions d'électrostatique et d'électromagnétisme en vue des applications du génie électrique (condensateurs, circuits magnétiques, machines tournantes)
  • avoir des notions sur le régime non-linéaire (circuits magnétiques) et sur le dimensionnement des composants passifs
  • connaître le fonctionnement des principaux éléments de l'électrotechnique (transformateur, machine à courant continu, redresseurs) sous les aspects fonctionnels et technologiques
  • savoir effectuer les mesures de grandeurs électriques : intensité, ddp, puissances, à l'aide des appareils appropriés

Programme

  • Électrostatique
    • notions de champ et de flux électrique : représentation des grandeurs sous formes intégrales, matériaux en régime linéaire, phénomène d'influence, capacité, énergie et force
  • Électromagnétisme
    • notions de champ et de flux magnétique : représentation des grandeurs sous formes intégrale
    • matériaux en régime linéaire et non linéaire (courbes d'aimantation, hystérésis)
    • circuits magnétiques : illustration sur des exemples concrets à l'aide de la loi d'Hopkinson
    • inductance : définitions, FEM d'auto-induction, énergie et force
    • milieux aimantés : dimensionnement de circuits magnétiques classiques, les aimants, applications
    • composants passifs : technologie des condensateurs, des inductances et des résistances de puissance, schémas équivalents, éléments de choix et de dimensionnement
  • Le transformateur industriel
    • le transformateur monophasé. Notions de flux forcé, schéma équivalent, essais, bilan des puissances
    • le transformateur triphasé. Couplages, schéma équivalent monophasé
  • La machine à courant continu
    • constitution, machines à inducteur bobiné, à aimants permanents
    • principe de création de la f.e.m. et du couple électromagnétique
    • relations fondamentales, réversibilité
    • réglages de la vitesse et du couple
    • présentation des différents modes d'excitation, particularité du moteur universel
  • Le redressement monophasé
    • objectif de la conversion alternatif-continu
    • montage redresseurs de tension non commandés
    • principe du contrôle de la puissance : redressement commandé, débit sur charge RL, RLE

Module EEP 21 : Conversion statique d'énergie

Horaire : 70 heures (C : 18 h ; TD : 26 h ; TP : 26 h)
Objectifs professionnels

  • Connaître les principes de l'électronique de puissance et comprendre le rôle de chaque type de conversion
  • maîtriser le fonctionnement des convertisseurs représentatifs de chaque type de conversion en vue de leur dimensionnement
  • connaître les principales applications de l'électronique de puissance et savoir choisir un convertisseur statique en fonction de l'application visée

Programme

  • Introduction à l'électronique de commutation
    • semi-conducteurs en commutation
    • fonctions interrupteur, commutations forcées et naturelles
    • type de semi-conducteurs et associations
    • nature des sources et des charges, réversibilité
    • règles d'association
  • Convertisseurs AC-DC
    • redresseurs de tension à thyristors monophasés et triphasés : fonctionnement interne
    • définition et mesure des grandeurs entrée-sortie
    • Réversibilités
  • Conversion DC-DC
    • étude des hacheurs de base
    • hacheurs réversibles
    • alimentations à découpage isolées
    • circuits magnétiques en régime non-sinusoïdal
    • étude des alimentations Flyback et Forward
    • alimentations symétriques
  • Conversion DC-AC
    • onduleur de tension en ondes pleines
    • onduleur en MLI : Principes
    • structures d'alimentations sans coupure
    • technologie des batteries d'accumulateurs
  • Conversion AC-AC
    • gradateur monophasé sur charge résistive

Module EEP 22 : Entraînements électriques

Horaire : 40 heures (C : 8 h ; TD : 16 h ; TP : 16 h)
Objectifs professionnels

  • Maîtriser le principe d'un champ tournant
  • connaître le principe de fonctionnement des machines synchrones et asynchrones
  • connaître les principales associations convertisseurs - machines et les principes de la commande à vitesse variable

Programme :

  • Champ magnétique, principe du champ tournant
  • constitution des machines alternatives
  • machine synchrone, modèle de Behn-Eschenburg
  • machine asynchrone, modèle inductif, schémas équivalents en régime permanent
  • production de couple
  • principe de la commande à vitesse variable
  • moteurs pas à pas. Machines spéciales
  • critères de choix et mise en œuvre d'un entraînement à vitesse variable

Modules spécifiques de l'option électrotechnique et électronique de puissance

Module EEP 23 : distribution de l'énergie électrique

Horaire : 32 heures (C : 8 h ; TD : 8 h ; TP : 16 h)
Objectifs professionnels

  • Connaître la structure d'un réseau électrique de distribution basse tension
  • savoir dimensionner un réseau et choisir l'appareillage correspondant
  • être préparé en vue de l'habilitation électrique

Programme :

  • Structure d'un réseau
  • protection des personnes
  • les schémas de liaisons à la terre (SLT), régimes de neutre
  • appareillages
  • chutes de tension et courants de court-circuit, limités aux réseaux en antenne
  • systèmes déséquilibrés, composantes symétriques
  • préparation à la certification B2V

Module EEP 24 : Électronique de puissance et actionneurs

Horaire : 52 heures (C : 16 h ; TD :20 h ; TP : 16 h) Module pour l'option EEP
Objectifs professionnels

  • Maîtriser les principes généraux de l'électronique de commutation
  • connaître la technologie des composants semi-conducteurs et des composants passifs en vue de leur choix et de leur dimensionnement
  • connaître les principales applications de l'électronique de puissance et savoir choisir un convertisseur statique en fonction de l'application visée
  • connaître le principe de fonctionnement des machines synchrones, asynchrones et des machines spéciales
  • savoir modéliser une machine en régime permanent en vue de la commande à vitesse variable
  • connaître les principaux critères de choix d'un entraînement à vitesse variable

Programme :

  • Électronique de puissance : approfondissement du module EEP 21
    • synthèse des convertisseurs statiques
    • les composants pour l'électronique de puissance
    • les composants semi-conducteurs : critères de choix, modélisation et commande
    • composants magnétiques et condensateurs : choix et dimensionnement
    • compléments sur la conversion AC-DC : redresseur de courant, régime discontinu
    • compléments sur la conversion DC-DC : étude des régimes continu et discontinu, filtrage des grandeurs entrée-sortie, hacheurs parallèle et à accumulation
    • alimentations à résonance
    • compléments sur la conversion DC-AC : commutateur de courant, onduleurs sur charges résonantes
    • gradateur sur charge inductive
  • Machines à courant alternatif et variation de vitesse : approfondissement du module EEP 22
    • champ magnétique : production d'une excitation magnétique (bobinages et aimants), création d'un champ à répartition spatiale et sinusoïdale, champ tournant, théorème de Ferraris, identification des inductances, FEM, production de couple
    • machine synchrone : modèle de Behn-Eschenburg, technologie des machines synchrones
    • machine asynchrone : modèle inductif, schémas équivalents en régime permanent, production de couple, commandes scalaire et vectorielle en régime permanent, technologie des machines asynchrones
    • machines spéciales : moteur à réluctance variable, moteurs pas à pas
    • association convertisseurs - machines : asservissement du couple et de la vitesse, critères de choix et mise en œuvre d'un entraînement à vitesse variable.

Electronique

Objectifs généraux :

Le programme d'électronique a pour objectif d'apporter les connaissances nécessaires à l'exploitation de signal, sous une forme analogique ou numérique, à laquelle peut être confronté à des degrés divers, tout diplômé GEII, ceci par une formation de base en composants, fonctions élémentaires, production de signaux, traitement et transmission analogiques et numériques.

Module EN 11 : Composants et circuits intégrés de base

Horaire : 60 heures (cours : 16 h ; TD : 24 h ; TP : 20 h)
Objectifs professionnels

  • Connaître les composants et les circuits intégrés de base pour réaliser les fonctions élémentaires de l'électronique
  • savoir choisir, en fonction de l'application, une technologie, un composant
  • connaître et prendre en compte les limitations d'un composant réel
  • savoir associer à un composant semi-conducteur de base le modèle le mieux adapté à une utilisation
  • savoir simuler un composant et son comportement (en fréquence par exemple)
  • savoir exploiter un document constructeur
  • savoir identifier, sur un schéma, les blocs de fonctions élémentaires (sources de tension ou de courant, dispositifs à amplificateurs opérationnels...)

Programme :

  • Composants semi-conducteurs
    • diodes, transistors bipolaires, transistors à effet de champ, transistors MOS
    • composants optoélectroniques : diodes électroluminescentes, diodes laser, photorécepteurs, photo résistances
  • Sources de références
    • Sources de tension
      • rôle dans un circuit intégré, exemple, Caractéristiques
      • montages à diode zener, band gap, régulateurs de tension intégrés
    • Sources de courant
      • rôle dans un circuit intégré, exemples, caractéristiques
      • miroirs de courant à transistors bipolaires, à MOSFET
  • Amplificateur opérationnel
    • Amplificateur opérationnel parfait
      • montages inverseurs et non-inverseurs
      • montages intégrateurs et dérivateurs
      • filtres d'ordre 1 et 2 (calcul de fonctions de transfert)
      • montages non linéaires (comparateurs, redresseurs, amplificateurs logarithmiques...)
      • amplificateurs d'instrumentation
    • Amplificateur opérationnel réel
      • défauts statiques
      • bande passante, vitesse de balayage
      • gain différentiel en boucle ouverte, impédances d'entrée différentielle, de mode commun, de sortie
      • courant maximal dans la charge
      • influence de ces défauts sur les caractéristiques des montages de base
      • polarisation et alimentation non symétrique
  • Circuits intégrés fondamentaux
    • principales familles de circuits intégrés
    • recherche et exploitation de données constructeur, lecture d'un catalogue de composants intégrés
    • utilisation d'une note d'applications de composants tels que : amplificateur, comparateur, régulateur...
    • simulation, réalisation et test d'un montage de base réalisé à partir d'un circuit intégré

Module EN 12 : Fonctions élémentaires de l'électronique

Horaire : 64 heures (C : 16 h ; TD : 24 h ; TP : 24 h)
Objectifs professionnels

  • Savoir identifier et analyser, dans un schéma complexe, les blocs générant ou amplifiant des signaux
  • savoir répondre à un besoin
    • de génération de signaux en spécifications (période, durée, temps de montée, ...)
    • d'amplification BF de signal et de puissance
  • savoir choisir la technologie la plus adaptée
  • savoir tester l'application réalisée
  • savoir rédiger une documentation technique

Programme

  • Génération de signaux non sinusoïdaux
    • principes associés à la génération des signaux
    • générateurs de signaux périodiques
    • signaux carrés et triangulaires (multivibrateur, timer), générateurs de rampe
    • générateurs de fonctions intégrés
  • Amplification de signal
    • définition de la fonction amplification (de tension, de courant et de puissance)
    • classification des amplificateurs, exemple sélectif, large bande...
    • réalisation à partir d'amplificateurs opérationnels
    • l'amplificateur réel : dynamique, bande passante, non linéarités...
    • les amplificateurs différentiels
    • les structures translinéaires, les OTA...
  • L'amplification de puissance
    • les classes d'amplification (A, B, C, D) : principe, rendement, distorsion, applications
    • technologie et modélisation des transistors de puissance
    • technologie des amplificateurs de puissance intégrés, caractéristiques, critères de choix, mise en œuvre
    • le dimensionnement des composant

Module EN 21 : Traitement analogique du signal

Horaire : 55 heures (C : 13 h ; TD : 21 h ; TP : 21 h)
Objectifs professionnels

  • A partir d'un cahier des charges, savoir choisir la technologie et définir les spécifications d'un filtre analogique et savoir concevoir, simuler, réaliser et tester ce filtre
  • être à même de réaliser et tester un oscillateur, de mettre en œuvre des circuits spécialisés
  • connaître et savoir exploiter la boucle à verrouillage de phase
  • connaître les techniques de modulation/démodulation analogiques (amplitude, fréquence, phase) et le changement de fréquence
  • posséder des notions sur le bruit en électronique

Programme

  • Filtrage analogique
    • rôle de la fonction filtrage
    • classification des filtres selon les propriétés : passe bas, passe haut, passe bande, réjecteur de bande, multi-bandes
    • les filtres analogiques
      • filtres passifs et actifs du 1er et 2ème ordre
      • spécifications d'un filtre : gabarit d'amplitude
      • cellules de filtres actifs 1er et 2ème ordre
      • fonctions d'approximation : Butterworth, Tchebychev, ..., propriétés, critères de choix
      • synthèse cascade d'un filtre actif
      • filtres à capacités commutées
      • état de l'art des réalisations intégrées "filtres actifs" disponibles et critères de choix
      • conception assistée par ordinateur, réalisation et test d'un filtre analogique
  • Génération de signaux sinusoïdaux
    • définition d'un signal sinusoïdal en termes d'amplitude, fréquence, phase, stabilité, distorsion harmonique
    • conditions d'oscillation d'un oscillateur harmonique
    • différents types d'oscillateurs
      • à circuit RC (à pont de Wien, à déphasage...)
      • à circuit LC
    • oscillateurs contrôlés en courant ou en tension
    • oscillateurs à quartz
    • stabilisation en amplitude et fréquence, pureté spectrale, distorsion, taux de distorsion
  • Notions sur les modulations analogiques et le changement de fréquence
    • principe de la modulation et de la démodulation
    • signaux et circuits pour la modulation d'amplitude
    • signaux et circuits pour les modulations angulaires
    • changement de fréquence
  • La boucle à verrouillage de phase (PLL)
    • structure, fonctionnement, modélisation
    • analyse linéaire de la boucle verrouillée
    • analyse non linéaire des phénomènes transitoires
    • applications : synthèse de fréquence, modulation et démodulation, circuits associés
  • Notions sur le bruit en électronique

Module EN 22 : Traitement numérique du signal

Horaire : 55 heures (C : 13 h ; TD : 21 h ; TP : 21 h)
Objectifs professionnels

  • Comprendre le rôle des différents maillons d'une chaîne simplifiée de traitement numérique du signal : filtre anti-repliement, échantillonneur (échantillonneur-bloqueur), convertisseurs analogique-numérique et numérique­analogique
  • savoir traduire un besoin de traitement numérique du signal en spécifications des différents composants nécessaires pour réaliser le traitement
  • savoir réaliser une chaîne d'acquisition de signaux avec ces composants
  • savoir mettre en œuvre une carte d'acquisition

Programme :

  • Modélisation des signaux et systèmes numériques
    • synoptique de la chaîne de traitement numérique d'un signal analogique
    • description temporelle et fréquentielle d'un signal en temps discret : théorème d'échantillonnage
    • la fonction échantillonnage : échantillonneur et échantillonneur bloqueur, principes, technologie, critères de choix, mise en œuvre
    • quantification : rôle, erreur de quantification, bruit de quantification
    • la fonction quantification : conversion analogique-numérique, principes, technologie, critères de choix, mise en œuvre
    • la fonction restitution : conversion numérique-analogique, principes, technologie, critères de choix, mise en œuvre
    • modélisation des systèmes échantillonnés du premier et second ordre (réponses indicielle, impulsionnelle et transformée en Z)
  • Filtrage numérique
    • exemples introductifs de filtres numériques
    • définition et propriétés des filtres à réponse impulsionnelle infinie
    • synthèse par transformée bilinéaire des filtres à réponse impulsionnelle infinie
    • définition et propriétés des filtres à réponse impulsionnelle finie
    • synthèse par transformée de Fourier d'un filtre à réponse impulsionnelle finie
    • classification et comparaison des architectures pour la réalisation d'un filtre numérique
    • simulation, mise en œuvre à l'aide d'un outil de développement, et test d'un filtre numérique sur une carte à DSP spécialisée
    • notions sur les problèmes de réalisation : codage des coefficients, dépassement, arrondi...
  • Notions sur les systèmes de traitement et de transmission numérique de données
    • modulations par message numérique
    • procédés de transmission numérique
    • modulations numériques, modem
    • éléments de théorie de l'information
    • codage de l'information, codes fondamentaux, propriétés
    • notions sur la compression de données

Modules spécifiques de l'option électronique

Objectifs généraux

L'option électronique a pour vocation de former aux méthodes théoriques, aux techniques et aux technologies mises en œuvre dans les systèmes et réseaux de télécommunications fonctionnant en hautes fréquences et en hyperfréquences (radio, télévision, téléphone GSM, radar ...).


Module EN 23 : Amplification radiofréquences, transmission et antennes

Horaire : 42 heures (C : 12 h ; TD : 14 h ; TP : 16h )
Objectifs professionnels

  • Comprendre les mécanismes de base de la propagation
  • connaître et savoir mesurer les caractéristiques du support de transmission
  • savoir mettre en œuvre un support de liaison adapté à une application
  • savoir caractériser et exploiter une antenne
  • savoir caractériser une antenne et mesurer ses paramètres électriques
  • savoir localiser les différentes sources de bruit d'un système de télécommunication, évaluer et mesurer un rapport signal sur bruit
  • connaître les problèmes spécifiques liés à l'amplification des signaux à hautes et hyper fréquences (gamme 300 MHz - 30 GHz)

Programme

  • L'amplification radiofréquence
    • technologie et modèles des composants utilisés en hautes et hyper fréquences
    • calcul des amplificateurs et des filtres HF, des amplificateurs HF de puissance
    • introduction aux amplificateurs monolithiques intégrés
    • conception, simulation et caractérisation d'un amplificateur à l'aide de l'instrumentation spécifique des techniques hautes et hyper fréquences (analyseur de spectre)
    • éléments spécifiques de puissance en hautes et hyper fréquences (klystron, circulateur...)
  • Transmission et lignes
    • rôle de la fonction transmission
    • caractéristiques du support de transmission : bande passante, débit, atténuation, impédance caractéristique, puissance transmise
    • compléments sur les phénomènes de propagation : vitesse de propagation, ondes réfléchie et transmise, ondes stationnaire et progressive
    • méthodes et outils utilisés pour l'analyse et la synthèse des circuits et systèmes hyperfréquences : matrice de répartition, abaque de Smith, reflectomètrie, paramètres S...
    • transmission des ondes électromagnétiques sur lignes filaires ou coaxiales et applications (informatique et téléphonie)
    • transmission des ondes électromagnétiques par guide d'onde ou fibre optique et applications (TV, téléphonie, communication millimétrique, informatique, instrumentation)
    • technologie des lignes micro rubans
  • Antennes
    • rôle de l'antenne dans un système de transmission
    • propriétés générales : rayonnement, champ lointain, champ proche, puissance rayonnée, groupement d'antennes et interférences
    • caractéristiques électriques : diagramme de rayonnement, gain, directivité, polarisation, bande passante, température de bruit, impédance, adaptation
    • propagation en espace libre et applications (liaisons hertzienne, par satellite, communications mobiles...)
    • classification des antennes : filaires, parabole, rayonnantes...
    • description d'applications (radio, tv, téléphonie mobile) intégrant une antenne en émission et en réception, notion de bilan de liaison
  • Le bruit en électronique
    • classification des sources de bruit
    • rapport signal/bruit d'une source de signal
    • facteur de bruit des systèmes linéaires
    • rapport signal/bruit en sortie d'un système linéaire
    • facteur de bruit d'un système non linéaire : cas du changeur de fréquence.

Module EN 24 : Télécommunications et systèmes

Horaire : 42 heures (C : 12 h ; TD : 14 h ; TP : 16 h)
Objectifs professionnels

  • Connaître l'organisation et les principes fondamentaux des systèmes de production, diffusion et réception radio et télévision (analogique et numérique) ou d'un système de téléphonie mobile
  • Connaître les principes de traitement du signal et des techniques de modulation en amplitude, fréquence et phase
  • savoir analyser et caractériser un émetteur ou un récepteur de signal analogique (modulation, démodulation, amplification, filtrage)
  • connaître les principes de transmission de données numériques

Programme

  • Principe d'une chaîne de transmission
    • fonctions associées à l'émetteur
    • fonctions associées au récepteur
    • comparaison des transmissions analogiques et numériques, avantages et inconvénients
    • description d'exemples analogiques : radio, télévision
    • description d'exemples numériques : téléphonie, réseaux sans fil, GPS...
  • Modulations analogiques, changements de fréquence
    • approfondissement des thèmes abordés en EN 21
    • compléments
  • Transmissions numériques
    • transmission numérique en bande de base
    • transmission numérique sur fréquence porteuse
    • détection et correction d'erreurs
    • notion de transmission par étalement de spectre
    • modulations numériques
  • Codage et compression de données
    • codage et information
    • codage de source, codage de canal
    • principes de compression du son
    • principes de compression d'image
  • Production, diffusion et restitution de l'image et du son
    • codage du son (procédés NICAM, MUSICAM...)
    • organisation d'un système de diffusion radio (analogique, numérique)
    • image vidéo couleur et codages PAL, SECAM et vidéo numérique
    • organisation d'un système de diffusion télévision (analogique, numérique)
    • organisation d'un système de téléphonie mobile (DECT, GSM...)