Cours Elec

5/27/2018 Cours Elec

1/279

Thorie : Introduction

Mthode et objectifs Electricit et lectronique Quelques symboles conventionnels L'anglais en lectronique

Mthode et objectifs

Compte tenu du fait que cet ouvrage s'adresse des dbutants, nous partirons du principe que lelecteur n'a (presque) aucune connaissance en lectricit ou en lectronique, et pas davantage enmathmatiques...

L'objectif de cette partie est d'apporter au lecteur le minimum vitaldans le domaine thorique, c'est--dire des bases certes troites, mais suffisantes (et ncessaires!) pour une initiation srieuse et

profitable l'lectronique. Grosso modo, disons que le contenu se situe entre la vulgarisation et uncours de seconde/terminale.

Certains lecteurs trouveront peut-tre ce "minimum vital" encore trop ardu. Pas de panique, on pourra"sauter" les passages qui paraissent de prime abord trop complexes, et y revenir plus tard.

La mthode consiste ne retenir que les informations strictement indispensables et les prsenter dela manire la plus simple et la plus accessible, en vitant d'entrer dans des considrations tropabstraites ou des calculs fastidieux. Il parait en effet prfrable pour un nophyte de se limiter desnotions essentielles et de bien les assimiler, plutt que d'accumuler des connaissancesapproximatives et disparates...

Le "minimum vital" que nous nous fixons ici pour objectif sera complt, ultrieurement, lors de l'tudedes composants. Il s'agit donc, dans un premier temps, d'acqurir des bases "gnriques", avant dese pencher de plus prs sur les proprits et fonctions des diffrents composants.

Electricit et lectronique

L'tude des phnomnes lis l'lectricitappartient la physique, une science fondamentale qui apour objectif de comprendre la structure et les proprits de la matire, et de dgager, partir del'exprience, des lois aussi gnrales et universelles que possible.

L'application pratique de ces lois permet ensuite de raliser des dispositifs et appareils utiles aucommun des mortels. Ainsi l'lectroniquea-t-elle pour vocation, in fine, de produire des objets: c'estavant tout, en dpit de sa proximit avec une science "pure et dure", une technique.

La principale diffrence entre l'lectronique et l'lectricit rside dans le fait que les composantslectroniques (diodes, transistors, circuits intgrs...) sont raliss l'aide d'un matriau conducteurparticulier, appel semi-conducteur (silicium pour l'essentiel), au lieu des mtaux et alliagestraditionnels utiliss en lectricit (cuivre...).

La conduction lectrique, dans les composants lectroniques, peut par consquent tre contrle demanire infiniment plus subtile et sophistique que dans les composants "classiques". En caricaturantun peu, on dira que les composants lectriques sont commands en "tout ou rien" l'aide

d'interrupteurs (on allume, on teint...), tandis que les composants lectroniques sont commands pardes signaux lectriques dont on peut faire varier trs prcisment les paramtres.


2/279

Qui plus est, les composants lectroniques se distinguent par une miniaturisation trs pousse et descourants trs faibles, alors que la plupart des composants lectriques demeurent souvent assezencombrants...

composants lectriques composants lectroniques

matriau conducteur mtaux conducteurs "classiques"(cuivre...) semi-conducteurs (silicium...)

contrle de laconduction

grosso modo: tout ou rien trs sophistique

taille encombrement important taille minuscule

puissance tensions et courants de fortes valeurs tensions et courants trsfaibles

Malgr ces diffrences non ngligeables, les composants lectroniques ne drogent pas aux loisgnrales de l'lectricit.

La connaissance des principales lois fondamentales de l'lectricit (lois de Kirchhoff, d'Ohm, deJoule...) s'avre donc incontournable pour quiconque souhaite s'initier l'lectronique. Par chance, cesont des lois extrmement simples conceptualiser et faciles mmoriser!

En revanche, les thormes de Thvevin et de Norton, le principe de superposition et quelquesautres, qui sont le b-a-ba des cours classiques d'lectricit et donc d'lectronique, pourraient sansdoute paratre assez abstraits et rbarbatifs un dbutant. Ces thormes seront ici voqus titredocumentaire, sans entrer dans les dtails.

Par ailleurs, quelques notions sur le magntisme seront utiles pour comprendre le fonctionnementd'un transformateur ou d'un haut-parleur. L encore, nous nous bornerons au "minimum vital".

Quelques symboles conventionnels

Le schma, pourrait-on dire, est l'lectronicien ce que la partition est au musicien. Autrement dit:une reprsentation symbolique normalised'un montage, ou assemblage de divers composantsformant un circuit.

Les composants sont figurs par des symboles conventionnels, qui ont une signification simple etunique. Ainsi, une rsistance est reprsente par un rectangle, un condensateur par deux petitsrectangles face face, spars par un espace blanc... Lorsque cela est utile, la valeur(avec ou sans

l'unit de mesure) et parfois la tolrance minimale du composant sont indiques en clair proximit.

Notons que, en rgle gnrale, seuls les composants utiles sont reprsents sur les schmas. Biensouvent, on ne fait pas figurer la source d'alimentation: on se borne indiquer en clair la tensionrequise. Si certaines broches d'un circuit intgr ne sont pas utilises, elles n'apparaissent pasforcment sur le schma, ou alors avec l'indication "NC" (non connect). Dans un souci de clart, onpeut faire figurer la masse (potentiel 0 volt) plusieurs endroits.

Autre point qui mrite une attention particulire: la continuit des liaisons entre composants. En effet,certaines pistes sont relies entre elles, alors que d'autres se "croisent" sans se toucher. Dans ce cas,le trait n'est pas continu: une piste "enjambe" l'autre, ce qui indique l'absence de liaison lectriqueentre ces deux pistes.

Voici quelques symboles conventionnels ncessaires la lecture d'un schma; nous en verronsd'autres par la suite.


3/279

Petite prcision: les symboles utiliss en lectronique ou en lectricit ne sont pas aussi "universels"qu'on pourrait le souhaiter, en dpit de tous les efforts de normalisation. On trouvera donc, dans lalittrature, des symboles parfois diffrents pour un mme composant. Voici quelques exemples:

Do you speak English?

Une dernire petite remarque, d'ordre linguistique, avant d'attaquer la thorie... Comme dansbeaucoup d'autres domaines, la langue la plus couramment utilise en lectronique, en particulierdans les documents techniques (data books, data sheets...), est l'anglais.


4/279

Ceci pourrait constituer un rel handicap pour un francophone ne matrisant pas la langue deShakespeare, mais nous verrons que, dans la pratique, il suffit de savoir traduire un nombre de motsassez limit pour dchiffrer sans souci la fiche technique d'un quelconque circuit intgr! C'estpourquoi on trouvera tout au long de e-lektronikdes termes anglais qui seront systmatiquementtraduits en franais. Ainsi, le vocabulaire anglo-saxon de l'lectronique ne devrait vous poser aucunproblme.

Un petit glossaire et traducteur anglais-franaissans prtention pourra au besoin clairer votrelanterne... N'hsitez pas y jeter un coup d'oeil!

Et maintenant, passons aux choses srieuses!

Electricit (1/2)

Qu'est-ce que l'lectricit? Un circuit lectrique trs simple Qu'est-ce qu'un diple? Qu'est-ce qu'un gnrateur? Qu'est-ce qu'un rcepteur? Les principales grandeurs lectriques La tension L'intensit La rsistance Le pont diviseur de tension Caractristique d'un diple Un diple particulier: la cellule RC

Qu'est-ce que l'lectricit?L'lectricitest une forme d'nergiequi se manifeste lorsqu'il y a circulation d'lectrons l'intrieur d'un corps conducteur, ou encore l'occasion de certains phnomnes naturels(foudre...).

Pour mmoire: un atomeest compos de protons (charges positives) et de neutrons (lectriquementneutres), qui forment le noyau, et d'lectrons (charges ngatives), qui gravitent autour du noyau surdes "orbites" concentriques, correspondant diffrents niveaux d'nergie.

Certains corps, en particulier les mtaux, sont de trs bons conducteurs(l'argent, le cuivre,l'aluminium...). Ces corps possdent des lectrons qui peuvent facilement se librer de l'attraction dunoyau de l'atome et se dplacer, de proche en proche, vers d'autres atomes.

A l'inverse, d'autres corps sont de trs mauvais conducteurs de l'lectricit: on dit que ce sont desisolants(diamant, cramique, plastique...).

On observera que les matriaux isolants sont tout aussi ncessaires que les matriaux conducteursdans les applications pratiques de l'lectricit ou de l'lectronique, puisqu'ils permettent d'une part decanaliser les flux d'lectrons, et d'autre part d'assurer la protection des utilisateurs.

Sous l'influence d'une force lectromotrice(produite, par exemple, par une lectrode de cuivre etune lectrode de zinc immerges dans une solution d'acide sulfurique), une charge lectrique vacirculer dans un fil de cuivre car les lectrons du cuivre se dplaceront d'atome en atome. Ce fluxd'lectrons est appel courant lectrique.


5/279

La conductionse dfinit comme la circulation d'un courant lectrique dans le matriau soumis unchamp lectrique extrieur. Ce courant est d au dplacement de charges lectriques dans lematriau.

Le courant lectrique traverse la solution d'eau (H2O) et de sel de table (NaCl), appele lectrolyte:pour preuve, la lampe s'allume (un peu!). Le chlorure de sodium se dcompose, sous l'effet du

courant lectrique, en sodium la cathode et en chlore l'anode. Contrairement une ide rpandue,l'eau pure n'est pas un trs bon conducteur, mais l'ajout du sel amliore grandement la conduction.

Un circuit lectrique trs simpleL'utilisation de l'nergie lectrique afin de produire un travail ncessite la ralisation de ce qu'onappelle un circuit lectrique. Le plus simple des circuits lectriques est sans doute celui constitu parune lampe de poche, bien connue de tous.

Une lampe de poche comporte les lments suivants:

une ou plusieurs piles, qui fournissent l'nergie une ampoule, qui transforme l'nergie en lumire un interrupteur "M/A", pour "allumer" ou "teindre" la lampe de poche des contacts, pour relier les piles l'ampoule via l'interrupteur

Tous ces lments sont runis dans un botier, qui les protge des chocs, de la poussire, del'humidit, etc.

La reprsentation schmatique de ce circuit est donne ci-dessous. Pour raliser un schma, onutilise des symboles conventionnels.


6/279

Si on gnralise partir de l'exemple de la lampe de poche, on peut dire qu'un circuit lectriquecomprend toujours, au minimum:

un gnrateur (ici: les 2 piles en srie) un ou plusieurs rcepteurs (l'ampoule) un ou plusieurs interrupteurs des fils de liaison ou des contacts

Les deux piles sont ici branches en srie, ce qui signifie que le ple + de la seconde est en contactavec le ple - de la premire. Si les deux ples + taient relis ensemble et les deux ples - relisensemble, on dirait que les piles sont en parallle.

Qu'est-ce qu'un diple?

Un dipleest un systme comportant deux ples de branchementdans lequel peut circuler uncourant lectrique.Une pile, une rsistance sont des diples, mais deux (ou trois...) rsistancesassocies en srie ou en parallle forment aussi un diple.

On a coutume de classer les diples en deux catgories: les diples actifset les diples passifs.Disons-le d'emble, cette classification ne prsente, en ralit, gure d'intrt, d'autant qu'il y atoujours des exceptions...

D'une manire gnrale, un diple est catalogu "passif" si on branche ensemble deux diplesidentiques et qu'aucun courant permanent ne passe, quel que soit le sens du branchement. Parexemple: les rsistances, les condensateurs...


7/279

Un diple entre dans la catgorie des "actifs" si on le branche sur une rsistance et qu'un courantpermanent circule. Par exemple: une pile, une dynamo... Mais les diodes et les transistors,composants semi-conducteurs, entrent aussi, par drogation, dans cette catgorie...

Qu'est-ce qu'un gnrateur?

On appelle gnrateurun diple capable de convertir en nergie lectrique une autre formed'nergie: une pile, une photopile, une gnratrice (dynamo)... Un diple est un gnrateur lorqu'ilfournit de l'nergie.

La pile (cell, en anglais) ou une batterie produisent de l'nergie lectrique partir d'une ractionchimique (on parle de gnrateur lectrochimique). La photopile transforme l'nergie rayonnante de lalumire en nergie lectrique. Le gnrateur est la source d'nergie lectrique d'un circuit.

Si la tension produite par un gnrateur est invariabledans le temps (sa caractristique est unedroite rectiligne), on parle de rgime continu.

Si la tension est variable, donc alternative, de forme sinusodale, comme celle issue du secteur EDF,

on parle de rgime alternatif, ou sinusodal.

Voici l'allure d'une tension continue (en bleu) et d'une tension alternative (en rouge), donc variable,tantt positive (au-dessus de l'axe X), tantt ngative (au-dessous de l'axe X.)

Retenons pour l'instant qu'il existe deux sortes de courant lectrique:

le courant continu, invariable, fourni par les piles, batteries, alimentations..., le courant alternatif, variable, fourni par les dynamos, les gnratrices, le secteur...

Qu'est-ce qu'un rcepteur?

On appelle rcepteurtout dispositif convertissant de l'nergie lectrique en une autre forme d'nergie.Un diple est un rcepteur lorqu'il consomme de l'nergie.

Si le rcepteur convertit toute l'nergie lectrique qu'il reoit en chaleur ou en rayonnement thermique,on dit qu'il s'agit d'un rcepteur passif. S'il la convertit autrement (en nergie lumineuse, parexemple), on dit qu'il s'agit d'un rcepteur actif. Une ampoule, une DEL (DiodeElectroLuminescente), un petit moteur courant continu, sont des rcepteurs actifs.

Lorsqu'un ou plusieurs rcepteurs, actifs ou passifs, sont aliments par un ou plusieurs gnrateurs,on a ce qu'on appelle un circuit lectrique.


8/279

Les principales grandeurs lectriques

Nous sommes toujours en prsence, dans un circuit lectrique quelconque, d'au moins quatregrandeurs lectriques:

la tension, exprime en volts (V) l'intensitdu courant, exprime en ampres (A) la rsistance, exprime en ohms () la puissance, exprime en watts (W), qui est le produit de la tension et de l'intensit.

Pour mesurer une grandeur lectrique, on a recours un appareil appel multimtre, qui regroupe,sous un mme botier, un voltmtre, un ampremtre, un ohmmtre, etc. Il existe de trs nombreuxmodles de multimtre, voici quoi il peut ressembler:

Un multimtre numrique, comme celui-ci, permet de mesurer une tension continue ou alternative,une intensit, une rsistance.

(1) La tension

Si on compare le flux d'lectrons un liquide dans un circuit hydraulique, on dira que la tension, oudiffrence de potentiel (d.d.p.), correspond une diffrence de pressionentre deux points ducircuit ferm. Ouvrez un robinet: si l'eau coule fort, on dit "qu'il y a de la pression".

Supposons prsent que les lectrons soient des molcules d'air. Si vous gonflez un pneu ou uncanot pneumatique l'aide d'une pompe vlo, l'opration sera ralise d'autant plus vite que vouspomperez nergiquement: plus vous refoulerez les molcules d'air cadence soutenue, plus la

pression augmentera l'intrieur du pneu. Si vous relchez votre effort, la pression diminuera...


9/279

La tension est donc associe une force: la force lectro-motrice (f.e.m.).

Voici comment on mesureune tension continue, enl'occurence celle d'une pile, l'aide de la fonction"voltmtre" d'un multimtre.

Sous rserve de respecterla polarit de la pile (ne pasconfondre les bornes "plus"et "moins"!) et de choisir lecalibre adquat (ici: de 2 20 V), la valeur de la

tension est lue directementdans la fentre de l'afficheurLCD.

Notez qu'on mesure ici latension " vide" de la pile,puisque celle-ci n'alimenteaucun circuit lectrique.

La tension(note U ou E), que l'on peut assimiler la diffrence de potentiel(note d.d.p.) entredeux points A et B d'un circuit lectrique, est une grandeur algbrique: si elle est positive entre A etB, elle est de mme valeur, mais ngative entre B et A.

Si on branche deux gnrateurs en srie, par exemple deux piles de 1,5 V, on obtient une tensiontotale qui est la sommedes tensions produites par chacun des gnrateurs, soit 3 V dans notreexemple. On parle d'additivit des tensions.

D'une manire plus gnrale, la tension aux bornes de deux rcepteurs monts en srieest lasomme des tensions aux bornes de chacun des deux rcepteurs.


10/279

Le schma ci-dessous comporte deux piles de 4,5 V montes en srieet une rsistance de 470 ohmsqui est le rcepteur. Si on mesure les tensions par rapport la masse (rfrence 0 V), on relve unetension totale le 9 V, qui est la somme de 4,5 V et 4,5 V.

A prsent, notez bien la diffrence, les piles sont montes en parallle(les ples "+" sont relis entreeux, et les ples "-" sont relis entre eux):

La tension totale de ce circuit est de 4,5 V, soit la somme de V1 et V2 divise par 2. Toutefois, cediple pourra fournir un courant deux fois plus important que si on n'avait qu'une seule pile.

Sur le schma, une rsistance trs faible (0,01 ohm) est monte en srie avec chaque pile: ellereprsente la rsistance internede la pile.

En effet, un gnrateur de tension n'tant jamais, dans la ralit, "idal", ou "parfait", on doit leconsidrer comme l'association d'un gnrateur de rsistance interne nulle (donc idal) etd'unconducteur ohmique de rsistance trs faible, mais non-nulle. Ainsi, on tient compte du fait qu'une pilerelle est affecte d'une rsistance interne, qui provoque son usure. La tension fournie devient doncgale la force lectro-motrice (f..m.) du gnrateur, diminue du produit de sa rsistance interne

par l'intensit dbite. Par consquent, plus la pile est use (sa rsistance interne a augment), plusla tension fournie diminue.


11/279

(2) L'intensit

L'intensitd'un courant lectrique (note i ou I) exprime l'importance du flux de charges lectriquesqui traverse la section du conducteur par unit de temps.

L'intensit du courant est analogue au dbit, en litres par seconde, d'un liquide dans une canalisation,ou encore au nombre de voitures circulant sur une route entre un point A et un point B pendant untemps donn.

L'intensit se mesure en ampres (A) ou en milli-ampres (mA).

On veut mesurerl'intensit ducourantcirculantdans ce circuit trssimple, composd'une pile de 9volts, d'une diodelectroluminescente(DEL) et de sarsistance delimitation ducourant. (Lescomposants "rels"ont t reprsents ct de leur

symbole sur leschma.)

On utilise cette foisla fonction "milli-ampremtre" dumultimtrenumrique.

Pour en savoir plussur l'utilisation dumultimtre,consultez le

chapitre qui lui estconsacr.

Les deux lois de Kirchhoff, qui sont fondamentales, nous apprennent que:

l'intensit du courant est la mme en tous points d'un circuit boucl sans bifurcations si le circuit comporte un "noeud", la somme des intensits des courants arrivant ce

noeud est gale la somme des intensits des courants qui en sortent.


12/279

Pour vous en convaincre, voici un exemple chiffr pour chacun des montages ci-dessus, en donnant chaque rsistance la valeur (purement arbitraire) de 100 ohms:

Voici une autre illustration de ces lois:

Signalons par ailleurs que le sens conventionneldu courant, symbolis par une flche, est en ralit

l'inverse du sens relde dplacement, au niveau atomique, des lectrons dans le circuit. Cettebizarrerie s'explique par le fait que les savants du XVIIIme sicle avaient une chance sur deux de


13/279

"deviner" le sens correct, et ils se sont tromps! Ceci demeure toutefois sans aucune consquencepratique.

(3) La rsistance

La rsistance, qui se mesure en ohms (), correspond, comme son nom l'indique, la rsistancequ'oppose un conducteur (dit "ohmique") au passage du courant.

Imaginons une canalisation dont le diamtre n'est pas identique en tout point, ce qui a pour effet delaisser passer le liquide qu'elle contient plus ou moins facilement: cela correspond la rsistance.Sur une route, le passage de 4 2 voies constitue un autre exemple de "rsistance".

Intuitivement, on sent bien que la rsistance d'un circuit est en relation directe avec l'intensit: plus

elle est forte, plus cette dernire sera faible, et vice versa.On pourrait dire aussi que plus la rsistivitd'un conducteur augmente (par exemple en casd'lvation de sa temprature), plus l'intensit du courant qui le traverse diminue.

Les rsistances (le mot dsigne aussi bien le composant que sa grandeur; il s'agit ici du composant)peuvent tre associes en srieou en parallle. Avant d'aller plus loin, voyons l'un et l'autre cas:

Lorsque deux ou plusieurs rsistances sont associes en srie, elles forment un diple dont larsistance totale (dite "quivalente") est la sommealgbrique des rsistances individuelles.

Le courant n'ayant qu'un seul chemin, il est "oblig", si on peut dire, de passer successivement travers toutes les rsistances qu'il rencontre. Celles-ci s'additionnent.


14/279

Ici, plusieurs chemins sont proposs au courant, qui les emprunte tous ( commencer par le cheminoffrant la moindre rsistance). Le rsultat est au total une rsistance quivalente moindre quechacune des rsistances individuelles.

Il est noter que les deux rsistances de 10 ohms montes en parallle(figure ci-dessus, droite)forment un diple dont la valeur ohmique est de 5 ohms, mais ce diple peut dissiper une puissancede 1/2 watt, alors que chaque rsistance, prise sparment, ne pouvait dissiper que 1/4 watt.

Le pont diviseur de tension

Voici maintenant une notion qui n'a l'air de rien, mais qui est fondamentale: il s'agit du pont diviseur.

La figure de gauche, ci-dessous, illustre le pont diviseur le plus simple, puisque constitu de deuxrsistances, R1 et R2. Le branchement, au point not X, cre un "pont", qui divise la tension U selonla formule donne.


15/279

La figure de droite montre un pont diviseur constitu de trois rsistances identiques. Pour amliorer lalisibilit, le pont a t encadr en rouge. Ce pont alimente les entres e+ de deux amplificateurs

oprationnels, dont nous reparlerons plus loin.

Un nophyte est souvent dcontenanc par cette notion de "pont diviseur", aussi nous allons sansplus tarder apprendre le calculer, l'aide du logiciel de simulation PSpice.

Le schma suivant comporte une pile de 9 V et trois rsistances de mme valeur, savoir 1 k (soit 1kilo-ohm, ou 1000 ohms). Des voltmtres "virtuels" (V cercl) ont t placs aux points nots A, B et

C:

A partir du schma de gauche, ci-dessus, comment mesurer les tensions prsentes aux points A, B et

C? Pour ce qui concerne point A, la tension est l'vidence celle fournie par la pile (V1), soit 9 V.Inutile de sortir la calculette! Aux points B et C, on applique les formules, d'une dsarmante simplicit,et on trouve les mmes rponses que PSpice(affiches sur le schma de droite).


16/279

Vous pouvez prsent vousexercer avec lesdeux exemplesdonns ci-contre,en faisant bien

attention la valeurdes rsistances.

R2 vaut d'abord 4,7k, soit 4700 ohms,puis 470 ohms.

Toutes les tensionssont mesures parrapport lamasse, qui est larfrence 0 V.

Vous devezretrouver par lecalcul les rsultatsaffichs.

Prenez le temps defaire au moins unexercice, c'est unenotion importante.

(Non, ce n'est pascompliqu! Il suffitd'appliquer toutbonnement laformule vue ci-dessus!)

Pour dissiper tout malentendu potentiel, insistons sur le fait que les tensions sont ici releves parrapport la masse, qui sert de rfrence, et non aux bornes des rsistances.


17/279

Si on veut calculer la tension auxbornesde R1, il faudra prendred'abord sa tension par rapport lamasse et ensuite soustraire decette valeur la tension de R2 parrapport la masse:

9,000 V - 8,427 V = 0,573 V

Aux bornes de R2, on trouve:

8,427 V - 5,733 V = 2,694 V

Et aux bornes de R3, on a bienentendu 5,733 V (ou si vousprfrez: 5,733 V - 0 V).

Vrifions ce qui a t dit plus haut,

savoir que la tension aux bornesde deux ou plusieurs rcepteursmonts en srieest la sommedestensions aux bornesde chacundes rcepteurs:

0,573 V + 2,694 V + 5,733 V = 9 V

Cette prcision peut paratre triviale, mais la dfinition mme de la tension suppose un point derfrence, qui n'est pas obligatoirement la masse. Par consquent, on prendra soin de dclarerexplicitement quel est le point de rfrence si ce n'est pas la masse.

Caractristique d'un diple

La caractristiqued'un diple est la courbe reprsentant la variation du courant (I) en fonction de latension (U) ses bornes, soit I = f (U).

Cette caractristique est linairelorsque la courbe obtenue est une droite. Elle est dite symtrique,lorsqu'elle est identique quel que soit le sens de branchement. Ainsi, la caractristique d'unersistance est linaire et symtrique. Celle d'une diode jonction ordinaire est non-linaire et non-symtrique.


18/279

L'illustration ci-contre reprsente lacaractristiqued'une rsistance: ellereprsente la variation du courant (enabscisse) qui traverse la rsistance enfonction de la tension (en ordonne)applique ses bornes.

On voit que pour une rsistance, lacaractristique est une droite, et ce quelque soit le sens de branchement. Eneffet, une rsistance est un composantnon-polaris: on peut indiffremmentla brancher dans un sens ou dansl'autre.

Voici maintenant, ci-dessous, la caractristique (partielle) d'une diode: sur le graphique de gauche, ladiode est branche dans le sens "passant" (elle laisse passer le courant); sur le graphique de droite,

elle est branche dans le sens "non-passant" (elle bloque le courant). On obtient, l'vidence, descourbes trs diffrentes selon le sens de branchement!

On peut donc conclure que le comportement d'une diode, que nous tudierons plus en dtailsultrieurement, dpend du sens de branchement: il s'agit par consquent d'un composant dit polaris.

La diodefonctionne, dans un circuit lectrique,comme un clapet anti-retour sur une canalisation

d'eau ou un sens interdit sur une route: elle nelaisse passer le courant que dans un seul sens.

Son symbole, du reste, est assez vocateur: lapointe du triangle indique le sens "passant", lapetite barre verticale indique le sens "bloqu".

Notez au passage le symbole du gnrateur decourant alternatif.


19/279

Un diple particulier: la cellule RC

Nous avons dfini un diple, vous vous en souvenez, comme tant un systme comportant deuxples de branchementdans lequel peut circuler un courant lectrique.

Jusqu' prsent, nous n'avons tudi que des diples constitus d'lments individuels (une pile, unersistance, une diode...) ou d'lments de mme nature (deux piles en srie, plusieurs rsistances ensrie ou en parallle...).

Voici maintenant, titre documentaire pour le moment, un diple comprenant une rsistance et uncondensateur: il s'agit de la cellule R-C.

Qu'est-ce qu'un condensateur? Si on dispose, dans un circuit hydraulique, un rservoir (ballon d'eauchaude...), on a l une reprsentation approximative du condensateur et de sa facult (sa capacit) contenir temporairement une certaine quantit de liquide. Gonflez une boue ou un ballon de

baudruche, puis au bout d'un moment laissez l'air s'en chapper: c'est un peu comme cela quefonctionne un condensateur.

Soumis une tension U, un condensateur possde la proprit de se charger et de conserverune charge lectrique, proportionnelle U. Cette nergie est restitue lors de la dcharge ducondensateur. Ces phnomnes de charge et de dcharge ne sont pas instantans; ce sont desphnomnes transitoires, lis une dure.

Ce diple particulier introduit donc une "grandeur" supplmentaire dans un circuit lectrique: le temps.

Lorsqu'un condensateur C est mont en srie avec une rsistance R,

comme sur le schma ci-contre, ces deux composants forment un diplecouramment appel cellule RC, ou rseau RC: le condensateur,initialement dcharg, se charge travers la rsistance.

La charge complte demande un certain temps. On dfinit la constante detemps (c.t.)comme gale au produit de R par C (R en ohms, C en farads,c.t. en secondes). Plus la rsistance est faible, plus rapide sera la chargedu condensateur.

Il devient ds lors possible de crer des dispositifs qui dpendent mcaniquement de dures pr-dfinies et ultra-prcises.

Electricit (2/2)

La loi d'Ohm La loi de Joule Les thormes de Thvenin et de Norton Le principe de superposition Exercices corrigs

Deux lois fondamentales (et trs simples!) tablissent les relations utiles entre les principalesgrandeurs rencontres dans un circuit lectrique, savoir la tension, l'intensit du courant, larsistance et la puissance. Ce sont la loi d'Ohmet la loi de Joule. Commenons par tudier lapremire.


20/279

La loi d'Ohm

La loi d'Ohmnous dit que

dans un circuit lectrique, la tension U aux bornes d'un conducteur, exprime en volts, estgale au produit de la rsistance R, en ohms, et de l'intensit I, en ampres.

Soit:

U = R I

On peut donc en conclure que:

Ds lors que l'on connait deux des termes, il est ais de trouver le troisime...

Prenons un circuit trs simple, constitu d'un gnrateur (une pile de 9 volts) et d'une diode un peuspciale appele DEL (Diode Electro-Luminescente) monte en srie avec une rsistance de 470ohms.

Nous avons reprsent ci-dessus, gauche, les composants rels ncessaires au montage (on auraitpu ajouter un interrupteur, bien qu'il ne soit pas absolument indispensable dans cet exemple), et droite le schma de principe, ainsi qu'une version "allge" de ce schma, o la pile n'apparait pas: onse contente d'indiquer en clair la valeur de la tension.


21/279

Petite prcision: une DEL rougene devient lumineuse qu' partir du moment o sa tensiond'alimentation est suprieure 1,6 volt; on dit qu'elle devient alors "passante". Cette tension minimales'appelle "tension de seuil", car en dessous du seuil de 1,6 volt, la DEL ne brillera pas.

Sortons maintenant notre multimtre et procdons quelques mesures...

Si on relve une tension de 7,4 volts aux bornes de la DEL (puisqu'il faut retrancher la tension de seuilde la DEL de la tension fournie par la pile) et si la rsistance vaut 470 ohms, on trouve facilement parle calcul que l'intensit du courant qui traverse la DEL vaut 0,015 ampre, soit 15 milli-ampre.

I = (9 V - 1,6 V) / 470 ohms = 0,015 A

Attention aux multiples (kilo, mga, giga) et sous-multiples (milli, micro, nano, pico). A chaque fois, onmultiplie ou on divise par 1000!

Voici deux petits exercices trs simples pour vous familiariser avec cette loi fondamentale,incontournable et omniprsente en lectricit qu'est la loi de Herr Georg S. Ohm...

Facile, non? Dans l'exercice suivant, on veut connatre la valeur de la rsistance:


22/279

Maintenant que nous matrisons bien les circuits les plus basiques, en voici un qui, premire vue,peut paratre plus complexe:

Que trouvons-nous dans ce circuit?D'abord une pile, qui fournit unetension de 9 V. Puis trois rsistances,R1, R2 et R3, qui sont montescomme suit: R2 et R3 sont en

parallle(entre les points "A" et "B"),et ce diple est en srieavec R1.Nous savons calculer la rsistancequivalente de R2 et R3 et noustrouvons une valeur de 0,500 k, ou500 ohms. Calculons prsent larsistance quivalente du circuit; pourcela, nous rajoutons R1, d'o unersistance totale de 1,5 k. La loid'Ohmnous permet de trouverfacilement la valeur de l'intensittotale:

I = 9 V/1,5 ksoit 6 mA.

C'est l'intensit qui traverse R1, maisR2 et R3 sont traverss par uneintensit deux fois moindre,puisqu'entre les points A et B, lecourant a deux chemins quivalents.R2 et R3 sont donc parcourus par uncourant de 3 mA. Ce qui est tout--faitconforme la loi de Kirchhoff: 3 mA+ 3 mA (au point "A") donnent bien 6mA au point "B"!

L'exemple ci-dessus comporte en outre (ceci ne vous a srement pas chapp!) un pont diviseurdetension. Entre le point "B" et le point "A", on mesure une tension de 3 V, que l'on retrouve par le calcul:


23/279

UBA= 9 V (500 /(1k+ 500))= 9 V (1/3) = 3 V

Il reste donc une d.d.p. de 6 V entre le point "A" et le ple positif de la pile, puisque les potentielss'additionnent.

Ce petit exercice, mine de rien, nous a donc permis de revoir et d'appliquer toutes les notions vues

prcdemment: calcul d'une rsistance quivalente, d'un pont diviseur, application des lois d'Ohm etde Kirchhoff!

Etant donn que ces notions sont importantes, n'hsitons pas nous attaquer un nouvel exercice!Allons, courage! Il s'agit de trouver les valeurs des tensions U1 et U2 et des courants I1, I2 et I3:

Vous aurez remarqu que les valeurs numriques ont t choisies de manire simplifier(volontairement!) les calculs. Naturellement, d'autres valeurs donneraient des rsultats diffrents, maisla mthode reste la mme. Si le coeur vous en dit, refaites cet exercice en prenant pour R3 une valeurde 2 k(U, R1 et R2 ne changent pas), puis vrifiez votre rponse en cliquant ici.

Une fois qu'on a bien compris comment procder, on pourra recourir aux services d'un logiciel tel quePSpice(disponible sur le CD-ROM), pour calculer des circuits plus complexes et/ou modifier volontla valeur des composants.

La loi d'Ohm en rgime alternatif

La loi d'Ohm reste applicable en rgime alternatif, mais les choses sont un tantinet plus complexes,puisqu'il faut faire intervenir la notion d'impdance. On se bornera pour l'instant dire quel'impdance, dsigne par la lettre Z, traduit l'opposition au passage du courant en rgime sinusodal.Pour en savoir plus. (cf. impdance.doc)

La loi de Joule

Chacun peut aisment vrifier qu'une ampoule teinte est froide; allume, elle est chaude, voirebrlante. Il en va de mme pour le processeur de votre ordinateur: PC teint, le processeur est "


24/279

temprature ambiante", PC allum, il s'chauffe, sa temprature monte rapidement aux alentours de50C et, s'il n'est pas efficacement refroidi, il p eut mme "griller"!

En rsum: ds qu'il y a circulation d'un courant lectrique (c'est--dire, au niveau atomique, undplacement d'lectrons), on constate en tout point du circuit que de l'nergie est transfre versl'extrieur sous forme de chaleur, consquence d'un rayonnement thermique, ce qui se traduit par

une lvation de temprature.

C'est ce qu'on appelle l'effet Joule, nomm d'aprs le physicien anglais J. P. Joule.

La loi de Joules'nonce comme suit:

la puissance P reue par un conducteur (en rgime continu), est gale au produit de la tensionU ses bornes par l'intensit I du courant qui le traverse, ou encore, au produit de larsistance R par le carr de l'intensit I. Elle s'exprime en watts (W).

On peut donc crire:

P = U Iou encore (puisque U = R I):P = R I

Voici un autre aspect de l'influence de la temprature: lorsqu'elle augmente, elle accrot l'agitation deslectrons dans le corps conducteur, ce qui a pour effet, nfaste, de gner leur dplacement. End'autres termes, le flux du courant sera moins ais, ce qui revient dire que la rsistivitdu matriau(sa capacit s'opposer au passage du courant) va augmenter. Cette augmentation est d'ailleurslinaire: dans un fil de cuivre, par exemple, elle sera de 1% tous les 2,5C (soit 10%, ce qui n'est p asrien, en passant de 25C 50C). D'o la ncessit de maintenir, l'aide d'un dispositif derefroidissement adquat, une temprature de fonctionnement dans les tolrances des composantsutiliss.

Calculer la puissance d'un circuit

Comment savoir si, dans un montage, une rsistance ordinaire capable de dissiper un quart de wattsera suffisante, ou s'il faut une rsistance plus puissante? Tout simplement en appliquant la loi deJoule.

Voici un petit exercice pratique tout simple (souvenez-vous que la puissance s'exprime en watts ou,comme ici, en milli-watts):

Le calcul, on le voit, n'a rien de compliqu... Prenons un autre exemple:


25/279

Le circuit ci-contre comporte une pile ettrois rsistances. C'est un schma quenous connaissons bien: R2 et R3 sont

en parallle et ce diple est en srieavec R1. On calcule de tte (mais si!)que la rsistance quivalente vaut 100ohms. La pile fournit une tension de 10volts.

Deux voltmtres "virtuels" ont tbranchs sur ce circuit. Rappelons queles tensions sont ici mesures parrapport la masse. Les mesuresobtenues sont affiches ci-dessous:

On calcule la puissance totaleducircuit en multipliant 10 V par 100mA: on trouve donc 1 watt.

Aux bornes de R1, la d.d.p. est gale 5 volts (soit 10 V - 5 V). Lapuissance dissipe par R1 est galeau produit de la tension ses bornespar l'intensit qui la traverse: ontrouve ici 500 mW, ou 0,5 W.

Saurez-vous calculer la puissancedissipe par R2 et R3? Si voustrouvez 250 mW, bravo!

(Solution: P = 5 V x 50 mA = 250mW = 0,25 W)

(Ou encore: P = 100 x 0,052A =0,25 W)

On vrifie en outre que la somme des puissances dissipes par R1, R2 et R3 est bien gale lapuissance totale, puisque:

0,5 W + 0,25 W + 0,25 W = 1 W

Puissance et consommation

Dans l'exemple ci-dessus, les rsistances R2 et R3 dissipent deux fois moins de puissance que R1:voil qui est intressant. En effet, la mise en parallle de deux rsistances permet dans certains casde remplacer aisment une unique rsistance qui aurait la lourde tche de dissiper une fortepuissance.

Prendre en considration la puissanced'un circuit est important pour au moins deux raisonspratiques:


26/279

d'abord il faut que les composants soient capables de supporter les consquences de l'effetJoule, faute de quoi ils seraient dtriors ou dtruits;

ensuite, la puissance, lie l'intensit, est en rapport direct avec la consommation du circuit.Plus l'intensit est leve, plus la puissance est importante, et plus la pile s'usera vite...

Cette considration n'est pas anodine, car la dure de vie d'un dispositif aliment par une pile en

dpend directement (ou la facture EDF, si le montage est reli au secteur...).

La puissance en rgime sinusodal

Notons qu'en rgime sinusodal(tension alternative), les formules restent les mmes, mais il fautalors prendre des valeurs dites "efficaces".

La valeur efficace(RMS, pour Root Mean Square, en anglais) d'une tension sinusodale est dfinie

comme gale la valeur d'une tension continue qui, applique pendant la mme dure aux bornesd'un rcepteur, y dissiperait la mme nergie par effet Joule. Pour donner un exemple concret: lavaleur efficace de la tension alternative fournie par le secteur EDF est voisine de 230 V, avec desvaleurs variant constamment entre 0 (mini) et environ 330 V (crte, ou peaken anglais). La valeurefficace est gale la valeur crte, ou maxi, divise par la racine carre de 2, soit 1,414. Ou, ce quirevient au mme, multiplie par 0,707.

Les thormes de Thvenin et de Norton

Voici, essentiellement titre documentaire en ce qui nous concerne, l'un des grands classiques des

cours d'lectronique: le thorme de Thvenin (et son pendant, le thorme de Norton, qui n'est endfinitive qu'une rcriture du premier).

Nous n'utiliserons pas ces thormes par la suite; ils ne sont donns ici que pour enrichir votre culturegnrale. Si vous ne comprenez pas bien, ce n'est pas grave.

Petite prcision smantique: un thorme est une proposition dmontrable.

Le thorme de Thvenindit que:

On peut remplacer tout circuit linaire, qui alimente par les bornes A et B un diple D, par ungnrateur de tension idal en srieavec une rsistance dite de Thvenin, note Rth. La force lectro-

motrice (f..m.) du gnrateur est gale la diffrence de potentiel (d.d.p.) mesure entre A et Bquand le diple D est dbranch. La rsistance Rthest gale la rsistance mesure entre A et Bquand le diple D est dbranch et que les gnrateurs sont remplacs par leurs rsistances internes.


27/279

La formulation, certes, n'est gure potique... L'intrt essentiel de ce thorme rside en ceci qu'ilpermet de remplacer un montage complexe par un gnrateur de tension quivalent avec sarsistance interne quivalente et de calculer ces lments.

Le thorme de Norton, moins utilis en pratique, dit peu prs la mme chose, sauf qu'ons'intresse ici au courant:

On peut remplacer tout circuit linaire, qui alimente par les bornes A et B un diple D, par ungnrateur de courant idal en parallleavec une rsistance Rn. L'intensit du gnrateur est galeau courant de court-circuit entre A et B quand le diple D est dbranch. La rsistance Rnest gale la rsistance mesure entre A et B quand le diple D est dbranch et que les gnrateurs sontremplacs par leurs rsistances internes.

On notera la diffrence: la rsistance de Thvenin est en srieavec le gnrateur de tension idal,tandis que la rsistance de Norton est en parallleavec le gnrateur de courant idal.

Le principe de superposition

Le principe de superposition, qui dcoule des thormes de Thvenin et de Norton, permetd'tudier et de calculer des circuits comportant plusieurs gnrateurs. Il s'nonce comme suit:

Dans un rseau dont tous les lments sont linaires, l'intensit qui circule dans un diple est lasomme algbrique des intensits cres dans ce diple par chaque gnrateur du circuit prisisolement, les autres gnrateurs tant remplacs par leurs rsistances internes.

Voici une autre formulation, strictement quivalente, de ce principe:

Dans un circuit comportant plusieurs gnrateurs, la valeur de la tension aux bornes d'un diple est lasomme algbrique des tensions trouves en ne considrant qu'un gnrateur la fois,indpendamment des autres, ceux-ci tant remplacs par des court-circuits.

Voici un exemple (E1 et E2 sont des gnrateurs; R1 et R2 sont des rsistances):


28/279

Le calcul fait appel la notion de pont diviseur, vue plus haut. Si on dcide que E1 = E2 (les deuxgnrateurs dlivrent la mme tension) et que R1 = R2 (les deux rsistances sont identiques), onobtient une valeur de U gale celle de E1 ou de E2: les deux rsistances ont donc divis par deux lasomme algbrique des deux sources de tension. Bien videmment, si on prend d'autres valeurs pourE1, E2, R1 et R2, on obtiendra des rsultats tout fait diffrents.

Electricit: exercices corrigs

Voici, avant d'aller plus loin, une srie de petits exercices pour vous permettre de vrifier si vous avezbien compris les notions vues en lectricit. Il s'agit de problmes trs simples et il n'y a aucun"pige"! Les rponses sont donnes en bas de page.

Exercice 1: dessiner un schma lectrique Exercice 2: calculer une rsistance quivalente Exercice 3: appliquer la loi d'Ohm Exercice 4: appliquer la loi des noeuds (loi de Kirchhoff) Exercice 5: calculer un pont diviseur Exercice 6: appliquer la loi de Joule Exercice 7: tension continue, tension variable Exercice 8: caractristique d'un diple Exercice 9: tension alternative

1. Dessiner un schma lectrique

Une pile de 4,5 Valimente une rsistance de 220 ohmset une DEL rougemontes en srie, via uninterrupteur. Dessinez le schma de ce circuit.

Voir la solution.

2. Calculer une rsistance quivalente

Soit le schma ci-dessous. Calculez la rsistance quivalente entre "A" et "C".

Voir la solution.

3. Appliquer la loi d'Ohm


29/279

Vous disposez d'une pile de 9 V, de deux rsistances de 1 kilo-ohmset d'une DEL rouge.Comment runir ces lments de manire ce que le courant qui traverse la DEL soit d'environ 15mA? Dessinez le schma du circuit.

Rappel:la tension de seuil d'une DEL rouge est gale 1,6 V.

Voir la solution.

4. Appliquer la loi des noeuds

Soit le schma ci-contre.Quelle est la valeur du courantI?

Voir la solution.

5. Calculer un pont diviseur de tension

Soit le schma ci-contre. Quelle est la valeur de lad.d.p.entre la masse (0 V) et le point not X?

Prenez les groupes de valeurs A) puis B).

Voir la solution.

6. Appliquer la loi de Joule


30/279

Quelle est la puissanceP dissipe par la rsistance R1?

Rappel:la tension de seuil d'une DEL rouge est gale 1,6V.

Voir la solution.

7. Tension continue et tension variable

Sur le graphe ci-contre, on a tracdeux courbes, qui reprsententl'volution dans le temps d'unetension U1 (en bleu) et d'unetension U2 (en rouge). L'axe des xest celui du temps, en secondes;l'axe des y est celui des tensions,en volts.

U1 et U2 sont-elles des tensionsvariables ou continues?

Voir la solution.

8. Caractristique d'un diple

On branche un gnrateur aux bornes d'un diple quelconque et on fait varier la tension U fournie parle gnrateur. A l'aide d'un multimtre, on relve les valeurs suivantes (U la tension du gnrateur, I lecourant dans le diple):

U I3 V 30 mA

4,5 V 45 mA

6 V 60 mA9 V 90 mA

Tracez la caractristiquede ce diple, c'est--dire la courbe reprsentant la variation du courant (I)en fonction de la tension (U) ses bornes, soit I = f (U).


31/279

Que pouvez-vous conclure?

Si on inverse le sens de branchement du diple, on relve exactement les mmes valeurs. Quepouvez-vous conclure?

Voir la solution.

9. Tension alternative

Voici l'allure d'une tension alternative, telle qu'on peut la visualiser l'aide d'un instrument appeloscilloscope:

Quelle est la valeur de la tension maximale(on tension crte)? Quelle est la valeur de la tension dite"efficace" (ou "rms")?

Voir la solution.

Solutions aux problmes

1. Dessiner un schma lectrique

Votre schma devraitressembler ceci:


32/279

2. Calculer une rsistance quivalente

Observez que le diple entre "A" et "B" est en srie avec le diple entre "B" et "C". A l'intrieur du

diple BC, R2 et R3 sont en srie et ce diple R2-R3 est en // avec R4.

3. Appliquer la loi d'Ohm

La solution passe par la mise en // des deux rsistances, comme ci-dessous:

Avec une seule rsistance, on aurait une intensit (insuffisante) de 7,4 mA. En montant lesrsistances en srie, ce serait pire: le courant ne serait plus que de 3,7 mA!

4. Appliquer la loi des noeuds


33/279

Lasolutionest toutesimple,puisquela

sommedescourantsI1, I2 etI3 estgale aucourantentrant I,qui estgal aucourantsortant I.

Attention:la valeurde I3 estexprimeenampre!

5. Calculer un pont diviseur de tension

LorsqueR1 = R2,on atoujoursunedivisionde U par2.

Ladiffrencedepotentiel

(d.d.p.)entre lepoint xetle point aest bienentendugale 4,5 V(soit 9 V -4,5 V)dans lepremiercas et 4

V (12 V -8 V) dans


34/279

lesecond.

6. Appliquer la loi de JouleLa solution au problme implique de calculer au pralable la valeur de la d.d.p. aux bornes de R1 et lavaleur du courant I1. On observera que I = I1 + I2 (loi des noeuds), qui sont de mme valeur puisqueR1 et R2 sont ici de mme valeur.

7. Tension continue et tension variable

U1(en bleu) est une tension continue, qui reste constante (donc invariable). U2(en rouge) est unetension variable, puisqu'elle n'est pas constante: sa valeur varie sans cesse dans le temps. On peutajouter que U2est une tension alternative(tantt positive, tantt ngative), de forme sinusodale.

8. Caractristique d'un diple


35/279

On obtient la courbe ci-contre, qui est une droite. Onpeut donc conclure que la caractristique de ce dipleest linaire. (En extrapolant, on voit qu'elle passe parl'origine des axes.)

Aprs inversion du sens de branchement du diple, onconstate que la courbe est identique: la caractristiqueest donc symtrique.

On peut conclure que ce diple n'est pas polaris et sacaractristique est celle d'une rsistance.

9. Tension alternative

Magntisme et lectromagntisme

Nous allons, dans ce chapitre, voquer brivement, et assez superficiellement, un certain nombre denotions simples en rapport avec l'lectromagntisme. Nous nous limiterons aux seules connaissancesqui peuvent tre utiles un dbutant en lectronique.

Qu'est-ce que le magntisme? Aimants et lectro-aimants Induction et force lectro-magntique Qu'est-ce qu'un transformateur? Schma de principe d'une alimentation Principales caractristiques d'un transformateur Transformateurs deux enroulements secondaires


36/279

Qu'est-ce que le magntisme?

Le magntismeest l'ensemble des phnomnes qui se rattachent aux deux proprits des aimants:ils attirent les morceaux de fer (limaille, clous...) et peuvent s'orienter la surface de la Terre lorsqu'onles rend mobiles (aiguille de boussole).

Une rgion de l'espace est le sige d'un champ magntiquelorsque s'y exercent les proprits del'aimant, qui sont galement celles de l'lectro-aimant.

L'tude de ce phnomne trs remarquable (et longtemps inexpliqu), la fin du sicle dernier et audbut de ce sicle, par le grand J. C. Maxwellnotamment, permit de dcouvrir que tout champmagntique dcoule d'un dplacement de particules lectriquement charges. Certains lments,dont le fer, le nickel et le cobalt, sont particulirement aptes, du fait de leur structure atomique, engendrer un champ magntique. Ces lments sont appels ferromagntiques.

Hormis les aimants, pour lesquels le magntisme est en quelque sorte une proprit intrinsque, leschamps magntiques sont produits par un courant lectrique. En effet, ds qu'on fait circuler uncourant dans un conducteur, on cre un champ magntique. Dans le cas d'un conducteur

rectiligne (fil, cble...), ce champ est concentrique autour du courant. Dans le cas, plus intressant,d'un conducteur circulaire (spire), le champ est colinaire par rapport l'axe de la spire.

Dans la pratique, les champs magntiques sont crs par des solnodes(bobines) comportant ungrand nombre de spires. Dans ce cas, la valeur du champ magntique dpend, entre autres facteurs,de la longueur de la bobine, de son diamtre, du nombre de spires et de l'intensit du courant qu'on yfait circuler.

Si le courant est variable avec le temps, le champ subit galement une variation et, en vertu de la loide Faraday, il produit une tension induite. La possibilit de crer des champs magntiques et lesphnomnes qui y sont associs (induction, self-induction...) sont l'origine d'un grand nombred'applications trs diverses: lectro-aimants, relais, dynamoset alternateurs, moteurs lectriques,

transformateurs, haut-parleurs, etc...Ci-dessous, le principe de fonctionnement d'un petit relais et d'un haut-parleur:

Les contacts du relais se ferment lorsque la bobine est excite.


37/279

La membrane conique, en carton fin, est solidaire d'une bobine qui se dplace dans l'entrefer del'aimant. Lorsque la bobine est parcourue par un courant, issu par exemple d'un amplificateur, les

forces lectromagntiques mettent la membrane en vibration. Une suspension lastique autorise ledplacement longitudinal de la membrane, qui rayonne alors une onde acoustique.

Aimants et lectro-aimants

Un aimantpossde la proprit d'attirer, ses ples, des objets mtalliques base de fer, parexemple de la limaille de fer. On constate aisment par l'exprience qu'il existe une rgion de l'espaceo l'aimant exerce son influence: cette zone est appele champ magntique.

Les aimants sont raliss l'aide d'alliages comprenant de l'acier et divers autres lments, parexemple de l'aluminium, du nickel et du cobalt (alnico), du baryum ou du strontium, du samarium et ducobalt. L'alliage le plus performant, qui date des annes 80, est constitu de nodyme, de fer et debore.

Le champ magntique est d'autant plus intense que l'on est prs des ples de l'aimant. Il diminue mesure qu'on s'en loigne.

Si on met en prsence deux aimants, on constate que les ples de noms contraires(nord et sud)s'attirent, tandis que les ples de mme nom(nord et nord, ou sud et sud) se repoussent. Cesforces d'attraction et de rpulsion sont fonction de l'inverse du carr de la distance qui spare les deuxples. Si la force vaut F pour une distance de 1 mm, elle n'est plus que du quart de F (F/4) lorsque ladistance est de 2 mm.

Un lectro-aimant est un appareil destin produire un champ magntique, lequel pourra ensuite,par exemple, fermer un contact d'un relais ou encore faire vibrer la membrane d'un haut-parleur.


38/279

L'lectro-aimant est constitu d'un barreau de fer (le noyau) autour duquel est enroule une bobine defil conducteur isol. Lorsqu'on fait circuler un courant dans la bobine (on dit que la bobine est excite),on constate la cration d'un champ magntique: l'lectro-aimant se comporte comme un aimant.

On vrifie aisment que le champ magntique augmente:

quand l'intensit du courant dans la bobine augmente, et/ou quand le nombre de spires de la bobine augmente.

Pour inverser le sensdu champ magntique, il suffit d'inverser le sens du courant dans la bobine(autrement dit, permuter le "plus" et le "moins").

On peut facilement raliser une bobine exprimentale l'aide de vingt centimtres de fil lectriquesous gaine, enroul spires jointives autour de la lame d'un tournevis et aliment par une simple pilede 4,5 V ou de 9 V. Des trombones ou des petites vis seront attires par cet lectro-aimant certesrudimentaire, mais oprationnel! On observera la variation de l'intensit du champ magntiquelorsqu'on remplace la pile de 4,5 V par deux piles de 1,5 V, ou lorsqu'on double le nombre de spires.

Parmi les nombreuses applications de l'lectro-aimant, signalons le relais, qui permet d'ouvrir ou de

fermer distance, mcaniquement, un ou des contacts, le traditionnel carillon de porte, ou encorel'lectro-vanne, monte sur une canalisation.

Induction et force lectro-magntique

Induction

Dans le dispositif exprimental reprsent ci-dessous, droite, un conducteur de cuivre (morceau defil lectrique) est librement suspendu par deux fils de trs faible section, relis un milli-voltmtre. Cedispositif peut paratre rudimentaire (il l'est!), mais il permet de bien visualiser les phnomnes.


39/279

Dplaons le conducteur vers l'extrieur de la bobine, perpendiculairement au champ magntique, enlui imprimant une lgre impulsion. On dit que le conducteur fauche le champ. Nous constatons quel'afficheur du voltmtre indique une tension, positive ou ngative, pendant le dplacement dans unsens ou dans l'autre (flche bleue). L'afficheur indique zro lorsque le conducteur s'immobilise.

Nous pouvons donc en conclure que ce conducteur est le sige d'une tension. Selon le sens de

dplacement, l'une de ses extrmits est positive et l'autre ngative.

Ce phnomne s'appelle induction. Le champ magntique de l'lectro-aimant est appel champinducteur. La tension dans le conducteur est appele tension induite.

On peut vrifier, l'aide du montage illustr ci-dessus, que la valeur de la tension induite dpend de lavitesse de dplacement du conducteur et/ou de l'importance du champ magntique.

Le sens (polarit) de la tension induite dpend du sens de dplacement du conducteur (vers l'intrieurou l'extrieur du champ) et/ou du sens de la polarit dans la bobine.

Force lectro-magntique (force de Laplace)

Le dispositif exprimental reprsent ci-dessous ressemble beaucoup au prcdent, mais cette fois leconducteur est reli une source de courant, une simple pile. Un rsistance variable (potentiomtre)


40/279

permet de diminuer ou d'augmenter la valeur de l'intensit; en outre, un ampremtre, mont en sriedans le circuit, permet de mesurer cette intensit.

Le circuit tant ferm, qu'observe-t-on? Le conducteur se dplace!

Lorsqu'un conducteur situ perpendiculairement un champ magntique est parcouru par uncourant, il est soumis une force (dite "force de Laplace") qui le dplace en fauchant le champmagntique.

Si on fait varier la valeur de la rsistance insre dans le circuit, et par consquent l'intensit ducourant dans le conducteur, on constate une variation proportionnelle du dplacement de ceconducteur.

Si le champ magntique produit par la bobine (ou par un aimant) est plus important, la force estgalement plus importante, et par suite le dplacement.

Si on inverse la polarit de la source de courant (la pile), et donc le sens du courant dans leconducteur, on inverse galement le sens de dplacement. On obtiendra du reste un rsultatidentique en inversant la polarit du champ magntique.

Nous pouvons donc en conclure que, moyennant un dispositif appropri, une source de courant, uneou plusieurs bobines et un ou plusieurs conducteurs suffiraient construire une machine capable de

produire une force. Cette machine s'appelle le moteur lectrique.

Les units de mesure

A titre documentaire, car on les utilise assez rarement en lectronique (sauf dans les domaines de laradio et des transmissions hertziennes), les units de mesure relatives aux phnomnes dcrits ci-dessus sont:

le tesla(T), du nom de l'ingnieur yougoslave Nikola Tesla, qui mesure l'inductionmagntique

le henry(H), du nom du physicien amricain Joseph Henry, qui mesure l'inductancelectrique, aussi appele coefficient de self-induction

le weber(Wb), du nom du physicien allemand Wilhelm Weber, qui mesure le flux d'inductionmagntique


41/279

A moins que vous ne soyez un passionn de radio ou d'lectrotechnique, vous entendrez rarementparler de ces grandeurs, sauf peut-tre du henry, ou plus probablement de son sous-multiple, le H.

Qu'est-ce qu'un transformateur?

Un transformateurest un appareil qui exploite les phnomnes lis l'lectromagntisme. Il estconstitu de deux enroulements, ou bobines, sur un mme noyau de fer. Si on applique une tensionalternative sinusodale U1 l'enroulement primaire, il en rsulte dans l'enroulement secondaireunetension induite U2.

Ci-dessus, deux modles rpandus de transformateurs: gauche, le modle "standard" sur chssistl, aussi appel " trier"; droite, le modle "moul" (encapsulated, en anglais), souvent plus

compact.

Voici, droite, l'undes symboles les pluscouramment utilisspour reprsenter untransformateur (ilexiste de nombreusesvariantes) et un petit

circuit exprimental,sur lequel on mesuredeux tensionsalternatives: d'abordcelle du primaire (envert), puis celle dusecondaire (enrouge). Le transfo estaliment par unesource de tensionalternative VAC.

Voici maintenant ce que l'on peut visualiser l'aide du logiciel PSpice(disponible sur le CD-ROM):


42/279

La courbe verte correspond la tension au primaire: son amplitude vaut 120 V. La courbe rougecorrespond la tension induite au secondaire: son amplitude vaut 60 V. On peut dterminer que lafrquence est de 50 Hz, puisque un cycle complet est accompli en un temps gal 20 ms (deux

divisions horizontales).

On vrifie par l'exprience que la valeur de la tension induite au secondaire dpend du nombre despires(not N) de chacune des bobines, d'une part, et d'autre part de la valeur de la tension U1applique l'enroulement primaire. On constate que pour une tension U1 donne, la valeur de U2 esten relation directe avec le rapport de N2 sur N1.

Le tableau ci-dessous donne quelques valeurs releves lors d'une srie d'expriences.

On observe que:

(1) si le rapport N2/N1 est infrieur 1, le transformateur est utilis en abaisseurde tension

(2) si au contraire N2/N1 est suprieur 1, le transformateur est utilis en lvateurde tension

(3) la tension induite U2 est gale la tension au primaire U1 multiplie par le rapport N2/N1, qui estappel rapport de transformation.

Dans le cas particulier o le nombre de spires est gal dans les deux bobines, ce rapport est de 1 et latension induite U2 est gale la tension U1. On a alors affaire un transformateur d'isolement.

Dans la pratique, on utilise essentiellement des transformateurs abaisseurs, dont le primaire est reliau secteur EDF (230 V, 50 Hz). Ces transformateurs dlivrent au secondaire une ou parfois plusieurstensions de moindre valeur, utilisables pour alimenter des circuits basse tension.


43/279

Il convient de se souvenir que la tension induite au secondaire est, elle aussi, alternative. Etant donnque la plupart des appareils ou circuits fonctionnent en rgime continu, cette tension sera ensuite,dans la trs grande majorit des cas, redresse par un pont de diodes, puis filtre par un ou plusieurscondensateurs et enfin stabilise par un rgulateur de tension, de manire obtenir une tensioncontinue d'une valeur prcise.

Schma de principe d'une alimentation

Dans l'immense majorit des cas, le transformateur est utilis dans le cadre de la ralisation d'unealimentation(power supply, en anglais), un montage destin fournir, partir du secteur 230 Valternatif, du courant continu basse tension. En effet, la quasi totalit des appareils ou montageslectroniques est alimente en courant continu B.T. Voici les principaux blocs fonctionnels d'unealimentation rgule:

Et voici le schma de principe d'une alimentation rgule (stabilized power supply, en anglais). Onreconnait, de gauche droite, le transformateur, le pont de diodes (pont de Gratz), lescondensateurs de filtrage, le rgulateur (REG) et, en prime, une DEL-tmoin. La tension de sortie Vsdpend directement du rgulateur.

Une alimentation "de laboratoire" ressemble, par exemple, ceci:


44/279

Principales caractristiques d'un transformateur

Deux caractristiques essentielles sont prendre en compte dans le choix d'un transformateur:

la tension disponible au secondaire la puissance apparente nominale, note S et exprime en VA (volts-ampres), qui est le

produit de la tension efficace par le courant efficace.

Une troisime caractristique, d'ordre pratique, concerne la configuration du secondaire: secondaire unique (deux fils), point milieu (trois fils, celui du milieu tant au potentiel 0 V), deuxsecondaires (quatre fils).

Le modle point milieu sera notamment utilis dans le cas d'une alimentation symtrique (positive etngative). Certains composants (AOP, ampli audio...) rclament en effet ce type d'alimentation.

Comment choisir un transformateur?

Dans la plupart des cas, l'utilisateur choisit un transformateur en fonction d'une part de la tensioncontinuequi sera disponible aprs redressement par diodes et filtrage par condensateur, et d'autrepart de l'intensit du courantqui pourra tre fourni (autrement dit, la puissance apparente).

Dterminer la tension au secondaire

Supposons que l'on dsire raliser une alimentation rgule et obtenir, en sortie du rgulateur, unetension continue stable Vcc de 9 volts. Le calcul est le suivant:

U(secondaire)= (Vcc x 0,707) + U(diodes)+ U(rgulateur)

Il faut d'abord multiplier la valeur de la tension continue Vcc dsire par 0,707 (ou la diviser par 1,414,soit racine carre de 2), puis tenir compte du fait que le pont de diodes provoquera une chute detension d'environ 1,4 volts (en redressement double alternance) et que le rgulateur de tension,suivant le modle retenu, ncessite une tension d'entre (Vin) suprieure de 2 4 volts, en gnral, sa tension de sortie (Vout). On devra donc rajouter au total environ 4 5 volts, en prenant "large", lavaleur de la tension au secondaire.

(9 Vcc x 0,707) + 1,4 V + 3 V = 10,7 V


45/279

soit 12 V(valeur normalise).

Dans cet exemple, il faudra donc que le secondaire du transformateur fournisse au moins 12 volts(valeur nominale "efficace").

Si on souhaite obtenir une tension continue de 24 volts en sortie du rgulateur, le calcul fait

apparatre:

(24 Vcc x 0,707) + 1,4 V + 3 V = 21,4 V

soit 24 V(valeur normalise).

Ces exemples pourront surprendre, car il existe une autre manire de calculer, en multipliant latension de sortie nominale du secondaire par 1,414 (racine carre de 2), puis en retranchant 2 3volts pour le redressement et l'ventuel rgulateur. On obtient alors, pour une tension de secondairede 24 V, plus de 30 V de tension continue thorique. Cette mthode est certes valable, mais attention la valeur du courant maximal autoris! L'auteur prconise, en ce domaine, de choisir de prfrenceune valeur un peu suprieure.

Il est noter que la tension nominale d'un enroulement secondaire est sa tension en dbitsur unecharge rsistive. A vide (en l'absence de dbit), la tension releve sera suprieure d'environ 30% cette valeur. Pensez-y si vous effectuez des mesures!

Dterminer la puissance apparente nominale

En ce qui concerne la puissance apparente, on la calcule en multipliant la valeur efficace du courantmaximal fournir par la valeur efficace de la tension, ou encore en divisant la puissance apparentepar la tension maximale.

Ainsi, un transfo marqu 12 V/10 VA pourra dbiter un courant nominal de:

S/U(secondaire)

soit: 10 VA divis par 12 V, soit 0,8 A.

Il est toutefois conseill de choisir un transformateur dont la puissance nominale est suprieure de 10 20% la puissance rellement consomme par le montage, pour tenir compte des pertes dues autransfo lui-mme. Ainsi, dans l'exemple ci-dessus, il ne faudrait pas que le courant excde 0,7 Aenviron.

Quelques prix

Un transformateur neuf cote assez cher: c'est aussi un critre de choix. Voici quelques prix pour unmodle "standard" (tl), deux enroulements secondaires:

Tension secondaire Puissance Prix approximatif

2 X 12 V 5 VA 7,50 euros

2 x 15 V 10 VA 9,50 euros

2 x 12 V 16 VA 11,90 euros

2 x 18 V 26 VA 12,65 euros

2 x 24 V 46 VA 18 euros


46/279

Transformateurs deux enroulements secondaires

Les deux enroulements disponibles au secondaire peuvent tre utiliss sparment, ou mis en srie,

ou encore en parallle.

Soit un transformateur 2 x 12 V/10 VA :

Mise en sriedes secondaires:

Us= 2 x 12 V = 24 V

Imax= 10 VA/ 24 V = 0,4 A

Mise en parallledes secondaires:

Us= 12 VImax= 10 VA/ 12 V = 0,8 A

Suivant le cas, on constate que c'est la valeur de la tension disponible ou du courant maximal quidouble.

Il est noter que le secondaire d'un transformateur est lectriquement isol du primaire, mais il fautbien garder l'esprit que le primaire est reli au 230 V, ce qui implique de prendre toutes lesprcautions utiles pour empcher tout contact accidentel avec la partie du montage, notamment lesfils de raccordement et les pistes du circuit imprim, qui se trouvent au potentiel 230 V. D'autre part, sile courant dbit est important, il faut penser au risque d'chauffement et prvoir une aration

suffisante.

Complment

Les transformateurs toriques, de conception plus rcente, sont plus petits et plus lgers que lesmodles classiques (tls ou mouls). Leur rendement est en outre meilleur et leur chauffementngligeable; qui plus est, leur tension vide est peu prs gale la tension pleine charge, plusenviron 10%. Ils sont cependant environ deux fois plus chers que les modles classiques quivalentset ne prsentent d'intrt rel que pour des ralisations o le courant dbit est assez important. En50 VA, ils cotent prs de 30 euros.

Les transformateurs type "R"de nouvelle gnration, encore plus rcents, prsentent galementd'excellentes performances, aussi bonnes sinon meilleures que celles de leurs homologues toriques,pour un cot nettement moins lev. On ne serait pas surpris qu'ils remplacent l'avenir les toriques,voire les "classiques". En deux secondaires, 30 VA, leur prix se situe aux alentours de 15 euros.


47/279

Electronique (1/2)

L'lectronique: dfinition Les semi-conducteurs Avantages des composants semi-conducteurs Un problme pineux: les diples non-linaires Le transistor Qu'est-ce qu'un signal lectrique? Les paramtres d'un signal analogique Signaux complexes Signaux parasites Signaux analogiques et signaux numriques

L'lectronique: dfinition

On peut dfinir l'lectronique, de manire trs gnrale, comme l'ensemble des techniques quiutilisent des variations de grandeurs lectriques (en gnral, de trs petites grandeurs!) pour capter ettransmettre l'information.

Le synoptique ci-dessus montre les principales tapes du processus de traitement et de transmissiond'une information sonore, depuis la note de musique mise par un instrument jusqu' celle entendue

par l'auditeur d'un concert ou d'un disque.

Un exemple trs simple de variation de grandeur lectrique est le passage d'un courant dans uneDEL, ds lors que la tension de seuil de cette DEL est atteinte ou dpasse. Il en rsulte ce qu'on

peut considrer comme une information, savoir l'allumage de la DEL.

L'extinction de la DEL, par suite d'une tension d'alimentation insuffisante, constitue d'ailleurs une autreinformation...

Autre exemple: la tension (grandeur lectrique) disponible aux bornes d'un capteur de tempraturevolue en fonction de la temprature laquelle cette sonde est soumise. Chacune des valeursobtenues correspond une information, qui est ensuite traduite en degrs centigrade.

Il appartient naturellement au concepteur du montage de dterminer la signification exacte dechacune de ces informations et de la rendre aisment exploitable par l'utilisateur final. Ainsi,l'allumage d'une DEL de visualisation pourra signifier: "appareil sous tension", ou encore correspondre

une information telle que: "DEL rouge = 20C".

Ces exemples trs simples, voire simplistes, illustrent l'importance de la notion d'information.


48/279

Une autre notion importante concerne la "taille" des signaux traits en lectronique. Trs souvent, lemontage est aliment en rgime continusous basse tension (de l'ordre de 5 10 volts, pour donnerun ordre d'ide). On applique ensuite un signal alternatif l'entre de ce montage (pour l'amplifier, oule comparer un autre signal, par exemple). D'une manire trs gnrale, et dans la plupart des cas(il y a donc des exceptions!), le signal alternatif est de faible amplitudecompar aux tensionscontinues ncessaires au fonctionnement propre du montage. On parle alors de rgime de petits

signaux.

Le dveloppement trs rapide de l'lectronique, dans de multiples directions, a conduit unespcialisation sans cesse croissante des diffrentes "branches" qui la composent: systmes detransmissions par voies hertziennes, informatique, robotique, domotique, intgration dans les biens deconsommation grand public (automobile, appareils lectro-mnagers...), etc. Les composantslectroniques sont d'ailleurs proposs, trs souvent, en version "grand public", industrielle (ou"aronautique") et "militaire", selon des critres de fiabilit et de tolrance.

Les semi-conducteurs

L'lectronique "moderne" a commenc de se dvelopper au tout dbut des annes 50, aprsl'invention du transistor, puis des premiers circuits dits "intgrs", ces circuits rassemblant plusieurstransistors sous un botier aussi petit que possible. Adieu, les grosses lampes et autres triodes! Cettevritable rvolution technologique, nous la devons aux semi-conducteurs.

Les semi-conducteurs, silicium et germanium pour l'essentiel, sont des corps qui, aprs untraitement appel "dopage", possdent la proprit trs remarquable de se comporter comme desconducteurs lectriques, mais dans un seul sens.

Au contraire d'un fil de cuivre, qui laisse indiffremment passer un courant dans un sens ou dansl'autre, les semi-conducteurs sont polariss: le courant ne peut les traverser que dans un sensprdfini, selon leur dopage. Il devient donc possible de contrler trs finement les flux d'lectrons.

A titre documentaire, disons que siliciumet germaniumsont des corps qui, au niveau atomique,possdent 4 lectrons de valence, lectrons susceptibles de former des liaisons avec d'autresatomes. (Rappel: l'lectron est une charge ngative lmentaire.) L'atome de silicium, par exemple,met ses 4 lectrons de valence en commun avec ceux de 4 autres atomes de silicium, de manire former un cristal, structure trs stable. Toutefois, l'nergie ncessaire pour librer quelques atomesn'est pas considrable, ce qui signifie qu'en levant sa temprature on peut rendre le siliciumconducteur, ou du moins augmenter sa conductibilit. A noter que le silicium est beaucoup plusrpandu, car beaucoup plus facile produire, que le germanium.

C'est en ralit le dopage, ou l'adjonction de ce qu'on appelle des "impurets", en fait des atomesd'antimoine, de phosphore, d'arsenic, ou encore de bore, de gallium ou d'indium, dont la valence n'est

pas la mme (elle de 5 ou de 3), qui dtermine le type de semi-conducteur, type N (ngatif) dans uncas, type P (positif) dans l'autre, et qui dispense de crer une agitation thermique pour produire laconduction.


49/279

En effet, on obtient alors, pour le type N, des lectrons libres excdentaires ou, pour le type P, des"trous" (dficit d'lectrons, qu'on peut assimiler des charges positives), et on ralise par l mme lacondition essentielle au passage d'un courant, qui est un dplacement d'lectrons.

En rsum, c'est en incorporant au cristal de silicium tels ou tels atomes que l'on dtermine le sens deconduction.

Avantages des composants semi-conducteurs

Les semi-conducteurs (pour simplifier: le silicium) ont permis la conception et la fabrication en trsgrandes sries de composants que l'on appelle couramment "lectroniques": diodes, transistors,circuits intgrs... Nous les tudierons plus loin. Par rapport aux composants qui taient autrefoisutiliss, ils prsentent au moins trois avantages dcisifs:

un contrle trs fin et trs sophistiqu de la conduction lectrique, c'est--dire des fluxd'lectrons

des valeurs de tension et d'intensit beaucoup plus faibles un encombrement trs rduit (miniaturisation pousse)

Un problme pineux: les diples non-linaires

Nous avons considr, jusqu'ici, des circuits lectriques trs simples, composs de gnrateurs et dersistances, qui sont des diples linaires. La loi d'Ohm permet de calculer aisment les valeurs de U(tension), I (courant) et R (rsistance).

Le problme se corse ds qu'on a affaire des diples semi-conducteurs, dont les caractristiquesne sont pas linaires. Les calculs, en ce cas, deviennent vite d'une complexit effrayante...

Pour s'en sortir, on a recours une "astuce": on n'utilise les composants non-linaires que sur unecourte portion de leur caractristique et on simplifie grandement les calculs en assimilant cette portion

de courbe une droite. On dfinit de la sorte ce qu'on appelle des paramtres dynamiques(oudiffrentiels) du composant non-linaire, tant entendu que ces paramtres ne sont valables que surla portion de caractristique concerne. A partir de l, on n'a plus qu' recourir la bonne vieille loid'Ohm...

Le transistor

L'anctre de l'lectronique telle que nous la connaissons aujourd'hui, c'est lui... Le transistor, n il y aplus d'un demi-sicle, demeure le composant le plus "lmentaire" des circuits lectroniques, qui enintgrent parfois des milliers sur une minuscule puce de silicium (c'est pourquoi on les appelle circuitsintgrs).

Le transistor assure lui seul deux fonctions indispensables: l'amplification(grce l'effettransistor) et la commutation(switching, en anglais; comme, en quelque sorte, un interrupteurmarche/arrt).

Contrairement aux apparences, le transistor n'est pas un vulgaire "petit composant tout bte" et facile matriser... Pour bien comprendre son fonctionnement, il faut faire appel des notions de physiqueassez pointues et sa mise en oeuvre requiert de nombreux calculs. Aussi, nous nous en tiendrons trsmodestement une simple prsentation gnrale.

Comme sa "cousine" la diode, le transistor bipolaire est un composant semi-conducteur, constitu

de deux jonctions P-N, trs proches l'une de l'autre. Une diode ordinaire tant elle-mme constitued'une unique jonction P-N, on pourrait dire qu'un transistor contient deux diodes, d'o deux jonctions,


50/279

donc deux barrires de potentiel. On trouve des transistors N-P-N (le modle le plus rpandu) ou P-N-P.

Chaque "zone", ou "couche", du transistor est relie une lectrode: base (B), metteur (E),

collecteur (C). La base, on le constate, est trs mince: son paisseur est de l'ordre de quelquesmicrons seulement.

L'effet transistor, pour le rsumer le plus simplement possible, consiste amplifier le courant de baseIb pour obtenir un courant de collecteur Ic beaucoup plus important, sans altrer la forme d'onde dusignal d'entre. Le gain en courant(dsign beta, ou hFE) est le facteur d'amplification; pour donnerun ordre de grandeur, il peut atteindre 100 pour un transistor NPN modle BC547.

Par analogie, on peut se reprsenter mentalement l'effet transistor en imaginant qu'un petit robinet,manoeuvr grce un effort peu important (Ib), provoque un trs gros dbit (Ic) dans unecanalisation.

Nous verrons ultrieurement qu'il existe plusieurs manires de faire fonctionner un transistor, parexemple le montage "en metteur commun", sans doute l'un des plus couramment utiliss:

Voici, titre d'exemple, une application concrte: le signal d'entre, trs faible, est amplifi par letransistor, un BC547, avant d'attaquer un transducteur pizo (vibrateur pastille). Ce type de montageest utilis pour produire un son ("bip-bip") gnr par un oscillateur.


51/279

Retenons pour le moment que le transistor, dont on trouve des centaines de rfrences dans lescatalogues des fabricants, exploite les proprits des semi-conducteurs pour:

amplifier un courant (on a en entre un courant trs faible, on obtient en sortie un courantbeaucoup plus important, dont on peut rgler finement la valeur)

bloquer ou laisser passer le courant

Retenons galement que les circuits intgrs contiennent des dizaines ou des centaines, voire desmilliers de transistors sur un unique petit morceau de silicium.

Qu'est-ce qu'un signal lectrique?

Lorsqu'on parle de signal lectrique, il faut comprendre, dans le sens le plus large, une variationd'une grandeur lectrique, le plus souvent une tension, qui peut aller d'une valeur "zro" (absencede tension) une valeur maximale quelconque, en passant par toutes les valeurs intermdiaires. Unsignal lectrique peut se manifester sous une foule de formes diffrentes, mais en dfinitive, il s'agittoujours d'une variation d'une tension, d'une intensit...

Exemple de signal lectrique analogique, dont la variation est continue dans le temps. Cette formed'onde est celle d'un signal audio.


52/279

Pour visualiser et mesurer un signal lectrique, ou mme plusieurs signaux simultanment, on utiliseun appareil appel oscilloscope. (Document Hameg).

Voici quelques formes d'onde (waveforms, en anglais) de signaux lectriques: on observera que cesont des formes simples et rptitives. C'est pourquoi ces signaux sont dits "priodiques".

Les paramtres d'un signal analogique

Trois paramtres permettent de dcrire un signal priodique, qui est en quelque sorte le "modle debase" des signaux analogiques, car le plus simple. Ce sont:

la frquence, mesure en hertz (Hz) la priode(qui est l'inverse de la frquence), mesure en secondes (s)


53/279

l'amplitude, mesure en volts (V)

L'illustration ci-dessous permet de visualiser ces notions essentielles:

La frquence(f) d'un signal variable priodique est le nombre de cycles qui se rptent en 1seconde, un cycle, ou priode(t), tant l'intervalle qui spare deux points conscutifs pour lesquels lavaleur et le sens de la variation sont identiques. Dans le cas d'un courant alternatif de formesinusodale, par exemple le 230 V du secteur, le cycle correspond l'alternance positive et l'alternance ngative. Ce cycle se reproduisant l'identique 50 fois par secondes, la frquence estdonc de 50 Hz et la priode de 1/50me de seconde, ou 0,02 s, soit 20 ms.

Retenez ces formules, strictement quivalentes (f en hertz, t en secondes):

L'amplitudedu signal est dfinie comme la valeur maximale de sa tension. S'agissant d'un signalalternatif, qui "franchit" le point rfrenc 0 volt, la tension crte--crteest gale au double del'amplitude pour chaque alternance. La valeur dite efficace (RMS, en anglais, pour Root Mean Square)est une valeur moyenne, utile pour la mesure et les calculs. Nous en reparlerons.

Trs souvent, les dispositifs lectroniques traitent des signaux de faible amplitude. On parle alors dergime de petits signaux.

Si vous avez bien compris ce qui prcde, vous

pouvez comparer sans peine les deux signaux ci-contre. Ces signaux sont de forme sinusodale, ilsont tous deux la mme amplitude, mais la frquencedu signal violet est deux fois suprieure celle dusignal rouge, puisque sa priode est deux foismoindre. Autrement dit, le signal violet se rptedeux fois plus souvent que le signal rouge.

Voici un autre exemple de signal, de forme rectangulaire cette fois. De nombreux circuits intgrs

dlivrent de tels signaux.


54/279

Ce type de signal permet d'introduire la notion de rapport cyclique, dfini comme le quotient de ladure de l'tat haut par la priode, ou dure totale d'un cycle. Dans l'exemple ci-dessus, le rapportcyclique est de 50 %, puisque la dure du niveau haut est gale la moiti de la priode (niveau haut+ niveau bas).

Les signaux de ce type sont souvent appels crneaux(pulses, en anglais), ou trains d'impulsions. Ala diffrence des signaux alternatifs de mme forme, ceux-ci sont toujours positifs (leur tension restetoujours au-dessus de l'axe 0 volt).

L'oscilloscope est un instrument qui permet de visualiser des signaux lectriques sur un cran gradu.Une "division" (DIV) correspond un "carr" horizontal ou vertical de l'cran. Voyons comment onpeut s'en servir pour mesurer un signal:

Quelle est l'amplitude du signal sinusodal?

Chaque division verticale vaut 200 mV.

Le sommet du signal atteint une valeur de 2,5divisions (deux carrs entiers et la moiti dusuivant).

L'amplitude du signal est donc gale 2,5 fois200 mV, soit 500 mV.


55/279

Quelle est la frquence du signal carr ci-contre? Quel est son rapport cyclique?

Le signal se rpte l'identique toutes les quatredivisions horizontales et chaque division vaut 20ms. La priode est par consquent gale 80 ms,ou 0,08 seconde. La frquence f vaut alors 1/0,08Hz, soit 12,5 Hz.

On observe que la dure du niveau haut est gale la dure du niveau bas, on a donc un rapportcyclique de 50 % (on dit que le signal estsymtrique).

Ajoutons que l'amplitude de ce signal est gale deux fois 500 mV, soit 1 volt. L'amplitude crte--crte vaut le double, donc 2 V.

Signaux complexes

Nous avons vu jusqu' prsent des signaux de forme simple, sinusodale ou rectangulaire. Ce sont lesplus faciles tudier. Cependant, tous les signaux lectriques, commencer par les signaux "audio"(sons, paroles, musique...), ne prsentent pas, on s'en doute, des formes aussi rgulires etrptitives.

Que se passe-t-il, par exemple, lorsque l'on superpose deux signaux, l'un continu, l'autre alternatif?

Le rsultat est un signal complexe, dans lequel on retouve la composante continue (en bleu sur lafigure) et la composante alternative (en rouge). Un moyen efficace de sparer ces deux composantesconsiste recourir un condensateur, qui bloque la composante continue et ne laisse passer que lacomposante alternative. On verra plus loin que ceci est indispensable pour le traitement des signauxaudio.

Si on "mixe" deux signaux alternatifs dont l'un est une harmonique de l'autre, on obtient un signal quiressemble ceci:


56/279

Une harmonique est un signal dont la frquence est un multiple entier du signal dit fondamental. Ainsi,la frquence de la troisime harmonique est trois fois suprieure celle de la fondamentale.

Ces exemples suffisent montrer que des modles simples (en l'occurence la sinusodale) permettentd'tudier, grce aux outils mathmatiques adquats, des formes trs complexes.

Signaux parasites: le bruit

Vous entendrez parfois parler de bruit(noise, en anglais): en lectronique, ce terme est trs pjoratif!De quoi s'agit-il? Pour rpondre en un mot: de parasites, donc de signaux "nuisibles".

Voyons quoi ressemble du bruit:

Pas beau, n'est-ce pas? On a l un mlange de frquences plus ou moins alatoires, d'amplitudesdisparates. A l'coute, le rsultat est affreux. D'o viennent donc ces signaux parasites?

Le bruit peut avoir de nombreuses causes: des interfrences entre diffrents appareils lectriques,des signaux radio capts et amplifis par des circuits auxquels ils ne sont pas destins... Mais il existeune cause plus fondamentale, et quasiment invitable, le choc des lectrons dans les circuitslectroniques. L'chauffement des circuits, sous l'effet Joule, provoque une "surexcitation" deslectrons, qui s'entrechoquent de manire dsordonne, d'o la production de bruit.

On voit donc, nouveau, l'importance de lutter contre toute drive thermique des circuitslectroniques. Ajoutons que les ingnieurs se sont depuis longtemps proccups de ce phnomne etqu'ils s'efforcent de concevoir des circuits aussi peu sensibles que possible au bruit, surtout, on s'endoute, dans le domaine "audio". On parle alors d' immunit au bruit.

Signaux analogiques et signaux numriques

Un signal analogiqueest un signal dont la variation est continue. Sa forme d'onde, qui peut tre trscomplexe, a pour modle thorique la sinusode. Une tension alternative, par exemple, est un signalanalogique priodique (se rptant l'identique). Une montre, un compte-tours ou un voltmtre aiguilles sont des appareils analogiques.


57/279

Un signal numrique(digital, en anglais), se traduit par une succession de valeurs 0 ou 1,correspondant l'absence ou la prsence d'un potentiel lectrique ou, en d'autres termes, un tatbas ou un tat haut. La variation de ce type de signal n'est donc pas progressive, puisque seuls deuxtats sont possibles. Un processeur, par exemple, reoit, traite et transmet des signaux numriques.

Certains circuits intgrs, appels convertisseurs(A/D converters, en anglais), sont spcialiss dans

la conversion de signaux analogiques en signaux numriques, et vice-versa. Ils permettent, parexemple, de faire communiquer un ordinateur et un appareil ou dispositif analogique (sonde, capteur,relais, etc...), ou encore de transformer un son (musique, voix humaine...) en signaux susceptiblesd'tre traits par un ordinateur. Une application exemplaire, cet gard, est le modem, qui permet defaire transiter donnes, images ou sons numriss sur une ligne tlphonique, laquelle n'accepte quedes signaux analogiques. Le scanner, pour sa part, permet de numriser un document analogique(image ou photo sur papier...).

Pour mieux comprendre les signaux numriques, il est ncessaire de savoir deux ou trois petiteschoses concernant le systme binaire(qui ne connait que des 0 et des 1) et la logique boolenne(rassurez-vous, ses principes sont d'une simplicit enfantine). Cliquez icipour continuer.

Electronique (2/2) Le systme binaire La logique boolenne Fonctions logiques Tables de vrit Logique squentielle Bascules monostables Bascules bistables Les compteurs Quelques petites remarques en guise de conclusion

Le systme binaire

L'lectronique moderne a trs souvent r

Documents

Cours Elec