Electronique analogique

Base de l’électronique

Table des matières

• Electricité – électronique – informatique
• Aperçu des symboles des composants électroniques
• Résistance
  • mesure au voltmètre
  • mesure ampère mètre
  • calcul
• Résistance non linéaire
  • Thermistance
    • NTC
    • PTC
  • VDR
• Semi-conducteur
• Diode
• LED
• Redresseur
  • Pont de Graetz
• Diode Zener
• Transistor
• USB-c
• Panneau solaire
• Tyristor
• Diac
• Triac

Supports de cours

version anker, résistance varistance + exercices:

Playlist de vidéos d’électroniques analogiques de Fred Loup…
PDF avec les liens vers les vidéos…

Divers simulateurs en électronique et électricité…

Intro à l’électronique

C’est quoi l’électronique ?

• Allons voir digitec…. dans le rayon électronique…
• Lisez la page wikipedia à propos de l’électronique…
• Demandez à une IA ce qu’elle pense de l’électronique ?

ça vous inspire ?

Voici un tableau de brainstorming pour cogiter à ça tous ensemble…

La science des électrons

Qu’est-ce que l’électricité ?
→ C’est un flux d’électrons libres dans un corps conducteur.

En électricité on produit un courant électrique, on l’utilise pour fournir de l’énergie.

Le mot électronique comporte le mot électron, c’est la particule qui “tourne” autour du noyau d’un atome. L’électronique se concentre sur l’électron.

En électronique on dispose de composants qui sont capables d’orienter des électron, de les manipuler, d’obtenir des effets, de les transformer en lumière, etc..

L’électronique est une technique qui nous permet d’utiliser tous les composants à disposition pour créer des systèmes de contrôle, de régulation, de gestion de l’information.

On distingue deux types d’électronique:

• électronique analogique
• électronique numérique

Ce cours se concentre sur l’électronique analogique. C’est la base de l’électronique.

Une gradation des techniques, de l’énergie à l’information

Electricité – électronique – informatique…

Le boulot d’un électricien, c’est de capter de l’énergie (hydraulique, photovoltaïque, thermique, nucléaire, etc) et de l’acheminer à l’utilisateur final pour ses besoins, ceci via l’électricité.

L’électricité est le vecteur d’énergie le plus efficace et utilisable que l’on connaisse.

L’électricien utilise donc des générateurs électriques, des lignes électriques à hautes et basse tension, puis fourni quelques appareils électriques comme des moteurs, de l’éclairage, des chauffages etc.

L’électronique fonctionne à basse tension. Elle est utilisé pour piloter des machines. Ceci à l’aide de capteur et d’actionneur. Quand l’électricien gérer de l’énergie, l’électronicien gère de l’information (hormis le cas particulière de l’électronique de puissance comme dans les locomotives). Moins son circuit dissipe d’énergie plus il est heureux.

L’électronique analogique mène au transistor, et le transistor à l’électronique numérique. On change de paradigme, on ne se préoccupe plus de tension et courant. Mais juste de logique binaire, des interrupteurs ouvert ou fermé.

On entre dans le domaine de l’électronique numérique.

Puis l’électronique numérique crée le microprocesseur, la machine universelle programmable, l’ordinateur. Et nous entrons dans le domaine de l’informatique.

A ce niveau là, la machine n’est plus le centre, c’est le code qui a de la valeur.

Ainsi nous observons une dématérialisation.

Composants électroniques

Les composants électroniques de base….

• résistance
• diode
• LED
• Condensateur
• transistor
• circuit intégré

Sur les schémas électroniques on représente les composants électroniques par des symboles.

Il est important de connaitre les principaux symboles utilisés en électroniques.

Nom du composant	Symbole	apparence physique
Résistance
Bobine – inductance
Condensateur
Potentiomètre
Résistance variable
Thermistance NTC	θ –
Thermistance PTC	θ +
Photorésistance
Varistance VDR
Transformateur
Terre
Diode
Diode Zener
LED
Courant continu	––– DC
Courant alternatif	~ AC
Source de tension continue
Source de tension alternative
Pile électrique / accu
Thyristor
DIAC
Triac
Transistor NPN
Transistor PNP
Voltmètre
Ampèremètre
Ohmmètre
Panneau solaire

Exercice

Allez on s’entraine à reconnaitre ces symboles:

Résistance

La résistance est un composant “électrique”, mais c’est la base en électronique.

Les composants électroniques ont des besoins particuliers en courant ou tension. Ainsi on va jouer avec des résistances pour adapter la tension et/ou limiter le courant.

Ainsi on utilise toujours la relation:

C’est une relation linéaire. Donc une droite sur un graphe.

Résistivité – code de couleur

Code des couleurs des résistances

On utile un code de couleur pour déterminer la valeur des résistances…

Type de boitier des résistances

Couplage des résistances → série + parallèle //

Diviseur de tension

Potentiomètre

Un potentiomètre est une résistance variable qui a 3 pattes. Une de ses pattes est reliée directement à une de bornes. Alors que le but de la résistance variable est d’obtenir une résistance dans un circuit qui peut avoir des valeurs différentes, le but du potentiomètre est d’obtenir une tension différentes au borne de la résistance voilà la petite différence.

Les potentiomètres sont notamment très utilisé pour les tables de mixage audio.

Pour en savoir plus à propos des résistances.

Cigarette électronique

Dans la tendance à tout remplacer par des appareils électroniques, (chauffage à mazout par pompe à chaleur, éclairage au pétrole en éclairage électrique à incandescence puis éclairage électronique à LED, voiture à essence à voiture électrique) la cigarette au feu devient électronique.

Mesure au multimètre

• Voltmètre → aux bornes du composant
• Ampèremètre → on ouvre le circuit et l’ampère mètre est traversé par le courant
  

Résistance non linéaire

Jusqu’ici nous avons vu des résistances linéaires. Si l’on dessine la caractéristique de la résistance et sa relation entre le courant et la tension. Nous avons une droite.

Donc on ne dessine jamais la caractéristique de ce composant, vu qu’il nous suffit d’appliquer la loi d’ohm:

Il existe d’autres types de résistances qui n’ont pas de caractéristique linéaire.

Voici donc plusieurs composants qui vont nous servir de capteurs d’information sur le monde physique.

Quand on dimensionne un composant, on va se baser sur sa caractéristique. C’est très souvent un graphe avec une courbe qui met en relation les grandeurs physiques auxquelles le composants est sensibles. (température, courant, tension, lumière, etc..)

On va se référer à la datasheet fournie par le fabriquant.

C’est seulement avec cette documentation que l’on peut concevoir nos circuits en l’absence de formule mathématique comme la loi d’ohm.

Thermistance

La thermistance est une résistance dont la valeur R [Ohm] change en fonction de la température.

Il est ainsi possible de créer des circuits qui agissent en fonction de la température. (thermostats, etc..)

Il y a deux types de thermistance NTC et PTC.

Il y a la thermistance qui a sa résistance qui augmentent dans le même sens que la température (si la température augmente, la résistance augmente). C’est la PTC (Positive Temperature Coefficient).

Et à l’inverse il y a la NTC (Negative Temperature Coefficient) qui a une résistance qui diminue quand la température augmente.

• NTC
• PTC

Les symboles indiquent une résistance variable avec une barre en travers et la grandeur qui la fait varier. (un petit “t” comme “température” avec le sens indiqué par un + ou un -). (il y a aussi la variante avec la lettre grecque thêta et des flèches dans le même sens ou en opposition )

Pour en savoir plus sur le thermistances et leur utilisation…

NTC

PTC

LDR – Light Dependant Resistor

La LDR a une résistance qui varie en fonction de la lumière. On a ainsi un moyen de savoir à quel moment allumer un éclairage public ou de vérifier que le brûleur d’une chaudière est allumé.

VDR – Voltage Dependant Resistor

La VDR est sensible à la tension (Voltage). Elle a des seuils dans sa caractéristiques. C’est ainsi un composant utile comme parasurtenseur. Un moyen de se protéger contre les sur-tensions. (par ex: foudre).

Semi conducteurs

Diode, diode Zener, transistor, thyristors, l’électronique repose sur plein de semi-conducteurs…

Les semi-conducteurs sont des éléments qui ont 4 électrons sur leur couche périphérique. Comme leur nom l’indique ils sont parfois conducteurs et parfois non. C’est surtout la température qui va déterminer leur conduction.

C’est principalement le Silicium et le germanium qui sont utilisés en électronique.

Donc avant de continuer, il nous faut refaire le point sur la composition de la matière.

Composition de la matière

Depuis le savant grec de l’antiquité Démocrite, il y a l’idée qu’un corps simple de matière (par ex: carbone, oxygène, silicium, or, argent, chlore, uranium, hydrogène, helium, fluor, fer, cobalt, etc…) ne peut pas être coupé jusqu’à l’infini. On va forcément à un moment donné tomber sur une sorte de “pixel” insécable. En grec “qu’on ne peut pas couper” se dit “Atome“.

Le tableau périodique des éléments nous renseigne sur la centaine d’atomes qui composent notre réalité matérielle.

En fait on a découvert qu’on peut quand même casser les atomes…
(mais on a plus des corps simples)

Les atomes sont composés de protons, d’électrons et de neutrons.

Chaque atome a un noyau qui est composé de protons et parfois de neutrons. (c’est là l’origine du mot “nucléaire” = relatif au noyau)

Puis un certain nombre d’électrons “gravitent” autour des noyaux.

Les protons déterminent le numéro atomique (Z). On part avec l’Hydrogène tout en haut à gauche qui n’a qu’un seul proton dans son noyau et un électron. Puis on continue en ajoutant des protons (et des neutrons) au noyau. Plus on avance dans le tableau, plus les éléments sont denses, lourds et instables.

Les éléments les plus instables sont trop lourds et se désintègrent tout seuls. C’est ça la radio-activité.

Les propriétés chimiques des éléments sont déterminés par les électrons et surtout la dernière couche d’électron qui va avoir tendance à favoriser les associations ou non avec d’autres éléments pour former des molécules.

La dernière couche électronique qu’on appelle la couche de valence, a potentiellement 8 places pour des électrons. Si la couche est incomplète elle va cherche à en donner ou en partager avec d’autres pour trouver un bon équilibre.

On utilise le modèle de Lewis, un modèle simplifié pour observer les combinaisons possibles.

Voici un exemple avec de liaisons chimique qui se fait avec la molécule de CO₂

Création de Jonction PN

Les semi conducteur les plus courants en électronique sont le Silicium et le germanium. Comme dit plus haut ces éléments ont 4 électrons sur leur couche périphérique.

On peut les doper pour créer une jonction, une zone frontière avec des effets très intéressants, notamment le fait de pouvoir contrôler si le semi-conducteur conduit ou non en fonction de sa polarisation dans un circuit électrique.

Il existe deux types de dopage :

• le dopage de type N, qui consiste à insérer des atomes de type donneur d’électrons afin d’obtenir une plus forte densité d’électrons libres, qui sont négativement chargés ;
• le dopage de type P, qui consiste à insérer des atomes de type accepteur d’électrons afin d’obtenir une plus faible densité d’électrons libres, donc un excès de trous, considérés comme positivement chargés.

Les schémas suivants présentent des exemples de dopage du silicium respectivement par du phosphore (dopage N) et du bore (dopage P). Dans le cas du phosphore (à droite), un électron supplémentaire est amené. Dans le cas du bore (à gauche), il manque un électron ; c’est donc un trou d’électron qui est amené.

La création d’un cristal de silicium ainsi dopé en deux zones – une jonction – nous donne un composant électronique: la diode.

Diode

La diode, c’est juste une jonction. Elle laisse passer le courant électrique dans un sens, mais pas dans l’autre. C’est une valve anti-retour électronique.

Si l’on branche une telle jonction aux bornes d’une pile électrique on peut avoir deux comportements différents selon le sens de branchement.

Le sens direct:

Le côté positif est branché sur le côté positif de la pile.
Le côté négatif est branché sur le côté négatif de la pile.

Une fois le seuil de tension (0,7v) de la jonction atteint, la diode conduit.

Le sens inverse:

Le côté positif est branché sur le côté négatif de la pile.
Le côté négatif est branché sur le côté positif de la pile.

Les charges de signes opposés s’attirent, chacun part de son côté. La jonction grandit et la diode ne conduit pas.

Tout sur la diode:

La création de la jonction en vidéo:

Diode en sens inverse que se passe-t-il ?

Cours sur les diodes par les PTT:

Exercice :

Questions :

• Quelle est la tension de seuil d’une diode au silicium ?
• Pour calculer les valeur dans un circuit (avec des résistances, des diodes, etc) je peux remplacer une diode par une pile ayant une tension de 0,7V ? Vrai ou faux ?

LED

La LED, c’est une diode qui émet de la lumière.

Depuis 1962, il existe des LED rouge, puis jaune, puis verte. Dix ans plus tard en 1972, la LED bleue arrive, mais toute faible.

C’est dans les années 1990 qu’une révolution arrive la LED bleue a forte luminosité est créée. En lui superposant une jonction qui émet du jaune, la LED blanche arrive et remet en cause toute la manière de s’éclairer au quotidien.

Le 7 octobre 2014, Shuji Nakamura, Isamu Akasaki et Hiroshi Amano reçoivent le prix Nobel de physique pour leurs travaux sur les LED bleues.

Pour créer des LED blanche on va utiliser de l’arséniure de gallium comme semi-conducteur.

On fait une sorte d’alliage entre les colonnes III et V pour avoir l’effet d’un élément de la colonne IV comme le silicium.

Il y a encore plein d’autres sortes de semi-conducteurs.

Exercice LED

Sachant que la tension d’entrée U = 6V, Quelle est la valeur de la résistance R1 qu’il faut ajouter pour limiter le courant dans la LED à sa valeur nominale ?

Voici les caractéristiques de la LED:

• LED rouge Distrelec 301-32-217 (RND 135-00126)
• courant standard: 20mA
• Tension de seuil: 1,8V

Redresseur

La prise électrique nous fourni du courant alternatif. Alors que la plupart de nos appareils électroniques utilisent du courant continu. Il nous faut donc transformer ce courant alternatif en courant continu. Comment faire ?

Il y a un composant très intéressant que nous avons vu plus haut: la diode.

Une diode permet de laisser passer le courant dans un sens, mais pas dans l’autre.

“Redresseur” mono-alternance

Ainsi il suffit d’ajouter une diode en série avec ma charge, et voilà je n’ai plus de courant alternatif. Je n’ai qu’une seule alternance vu que je coupe l’autre.

C’est ce qui est utilisé comme principe sur des appareils bon marché. On appelle ceci le “redressement” mono-alternance.

J’ai vu ceci sur une lampe de poche avec une pile bouton qui se recharge directement en mettant la lampe dans la prise 230V. La pile est directement branchée en alternatif !… du coup il faut couper une des alternances. Une diode suffit.

Mais le rendement est catastrophique. On se coupe de la moité de l’énergie transportée jusque là.

Redresseur – transfo à point milieu

Il existe des transformateurs dit “à point milieu”. A l’aide de ceux-ci et de 2 diodes, on peut récupérer la bonne alternance et éviter de perdre la moitié de l’énergie.

Simulation du redresseur transfo à point milieu.

Mais ce genre de montage est rare. Le transformateur est en voie de disparition. Il est lourd, il est cher. Alors qu’un chargeur de smartphone c’est tout léger !

Le Pont de Graetz

Le pont de Graetz est un circuit à 4 diodes qui permet non plus de couper l’alternance non désirée, mais il la redresse. C’est pour ça qu’on parle de montage redresseur.

Il existe différentes manières de représenter le pont de Graetz.

Pour s’y retrouver l’idée c’est de se souvenir que:

• ma sortie + est l’endroit où l’on trouve deux “têtes” de diode reliées. (les cathodes)
• ma sortie – est l’endroit où l’on trouve deux “culs” de diode reliées. (les anodes)

=> Voici un document pdf d’aide mémoire…
=> Voici un simulateur de pont de Graetz

Le composant en vrai

Dans un montage réel, le pont de Graetz est réalisé parfois avec des diodes discrètes, parfois avec un même composant qui intègre les différentes diodes.

Quand la puissance est grande, on va aussi fixer les diodes sur un radiateur.

A la sortie d’un pont de Graetz on obtient un signal “pulsé”. Moi je dis qu’on est passé du dromadaire à une bosse au chameau à deux bosses.

Le signal pulsé c’est bien. Mais c’est pas encore idéal. Nous on a besoin de courant continu. On a pas envie d’une tension qui retombe à zéro à chaque alternance !

Il nous faut encore perfectionner notre alimentation.

Filtrage

On va utiliser les propriétés du condensateur. C’est un réservoir de tension. Donc il va se remplir pendant les alternances positives.

Puis quand ma tension retombe à zéro, là c’est lui qui assure la transition.

Ainsi ma tension subit une petite ondulation au lieu d’une grande. Elle ne repasse plus par 0. On a presque un courant continu idéal.

Simulations

• Simulation du redresseur transfo à point milieu
• Simulation du redresseur double-alternances à pont de graetz
• Simulation du redresseur double-alternance avec filtre

Aide mémoire du redresseur et de la diode, ainsi que des exercices de branchement de pont de Graetz:

Il est temps de faire un exercice de branchement des composants d’une alimentation filtrée, ainsi que calcul des valeurs des signaux:

Alimentation stabilisée

On peut encore améliorer notre alimentation en courant continu. On va garantir le niveau de tension de sortie à une valeur fixe.

On va utiliser une diode d’un type un peu spécial, une diode Zener.

Diode Zener

La diode Zener est une diode spéciale qu’on utilise dans la zone où normalement une diode est détruite. On l’utilise en sens inverse. L’avantage c’est que la tension de seuil (en inverse) est fixe peu importe le courant.

Nous avons donc une référence de tension fixe dans tous les cas.

Voici un document de cours avec également des exercices:

Finalement la diode Zener en parallèle avec la charge ça permet de garantir la tension. Mais il faut ajouter une résistance pour limiter le courant dans la diode. Cette résistance est directement en série avec la charge, et donc limite beaucoup le rendement !

On va donc modifier le schéma et introduire un nouveau composant pour améliorer notre rendement. On va utiliser un transistor pour la stabilisation-régulation de notre tension d’alimentation.

Le transistor

En très bref, un transistor, c’est un “interrupteur” commandé.

En analogie hydraulique, un transistor, c’est une grosse vanne de conduite forcée qu’on peut ouvrir ou fermer plus ou moins. Ceci commandé par un petit filet d’eau qui coule dans un tuyau d’arrosage.

Le transistor est un composant semi-conducteur composé de 2 jonctions.

Selon l’agencement des jonctions on a:

• un transistor NPN
• un transistor PNP

Le transistor est le composant qui a tout révolutionné dans l’électronique grâce à sa miniaturisation. En 2020, Nvidia est capable de mettre 28 milliards de transistors sur une puce de 628 mm² pour réaliser une carte graphique.

Le transistor a été inventé en 1947. Il permet de remplacer les tubes électroniques dans de nombreuses applications.

Il y a 3 utilisations principales du transistor:

• l’amplificateur
• l’interrupteur (saturation-blocage, 0 ou 1 la base de l’informatique)
• la régulation

Transistor en mode amplificateur

Quand on a un composant qui permet à l’aide d’un petit courant de piloter un grand, on a de quoi amplifier un petit signal pour en faire un grand.

C’est exactement le comportement qu’on a besoin en audio pour partir d’un petit signal enregistré et finir avec un haut parleur qui crache une grande puissance.

Il existe de nombreux schémas d’amplificateurs électroniques. On peut les chainer en cascade et filtrer le signal pour éviter toute distorsion.

Transistor en mode interrupteur

En mode interrupteur notre transistor est vraiment une vanne complètement ouverte ou totalement fermée.

Transistor en mode interrupteur

En mode interrupteur notre transistor est vraiment une vanne complètement ouverte ou totalement fermée.

Exercice pratique – Alimentation

Il est temps de réaliser un exercice pratique avec une planche de test pour monter une alimentation stabilisée en courant continu.

C’est l’occasion de se familiariser avec l’oscilloscope pour mesurer le signal à chaque étape.

Au besoin le manuel de l’oscilloscope est ici en pdf…

Quelles sont les formes et valeurs des signaux:

• à l’entrée du pont de Graetz: points A et B
• à la sortie du pont de Graetz: points C et D => sans le condensateur
• Aux bornes du condensateur de filtrage: points C et D.
• Aux bornes de la diode Zener: points E et D
• Aux bornes de notre charge: point G et D

Effectuez les mesures à l’oscilloscope et faites un croquis des signaux.

Alimentation à découpage

Maintenant que l’on a ce qu’il faut. Il est temps de tout chambouler. Encore une fois c’est pas tout à fait ce qu’on trouve dans nos appareils de tous les jours !

De plus en plus on trouve des alimentations à découpage.

Si vous observez bien l’alimentation que nous avons réalisée. Elle traversée en permanence par un courant. Le transistor dissipe de l’énergie pour rien, il y a des pertes. Ainsi on va avoir un rendement catastrophique.

L’idée de l’alimentation à découpage c’est de découper des tranches d’alimentation à haute fréquence et de recomposer un signal qui en moyenne donne l’énergie qu’on a besoin de transmettre.

On peut faire une analogie avec la machine à café qui maintient de l’eau chaude. Elle est en fait “allumée” seulement pendant 30 secondes toutes les 5 minutes avec un corps de chauffe à 2kW. En moyenne sur les 5 minutes l’eau reste chaude.

Dans une alimentation à découpage on utilise des circuits avec des bobines et condensateurs pour stocker de l’énergie et lisser le découpage.

Voilà, le principe très général. Pour en savoir plus avec beaucoup plus de détails, voici une bonne explication complète du fonctionnement d’une alimentation à découpage…

Alimentation USB

De plus en plus les alimentations d’appareils électroniques et informatique se font via le port USB.

Le port USB-C a été imposé par l’Union Européenne comme alimentation standard pour les smartphones.

Nous avons vu que les raspberry pi 4 sont alimenté via une alimentation USB-C.

Quels sont les caractéristiques de ses alimentations.

USB

Le port USB traditionnel permet à l’origine de fournir une alimentation électrique de 5 V pour un maximum de 500 mA.

Puis la norme a évoluée et avec l’USB 3.1 pour parvenir dans certains cas à 7.5 W (5 V, 1.5 A)

USB-C

Le nouveau connecteur type de l’USB est accompagné d’une nouvelle norme USB Power Delivery qui augment les capacités d’alimentation des ports USB.

On trouve plusieurs profils:

• profil 1 : 5 V et 2 A, soit 10 W
• profil 2 : 5 V et 2 A, et 12 V et 1,5 A, soit 18 W
• profil 3 : 5 V et 2 A, et 12 V et 3 A, soit 36 W
• profil 4 : 5 V et 2 A, 12 V et 3 A, et 20 V et 3 A, soit 60 W
• profil 5 : 5 V et 2 A, 12 V et 3 A, et 20 V et 5 A, soit 100 W

Depuis mai 2021, il y a la norme USB Power Delivery 3.1 qui augmente encore la puissance:

• 28 V et 5 A, soit 140 W
• 36 V et 5 A, soit 180 W
• 48 V et 5 A, soit 240 W

Mais il faut la norme de câbles USB EPR (pour « Extended Power Range »), selon laquelle les câbles pouvant supporter 240 W devront être certifiés pour une tension de 50 V pour un courant de 5 A. Les câbles fabriqués sous les anciennes exigences de 100 W maximum sont maintenant des câbles SPR (pour « Standard Power Range »)

Voir le tableau sur wikipedia pour plus de détail…

L’USB-C devient donc vraiment un moyen d’alimentation électrique Universel. Il comporte une grande plage de tensions et puissances possibles pour couvrir tout types d’appareil électronique.

Cependant, il faut bien vérifier que les alimentations choisies soient compatibles avec la bonne norme USB Power Delivery, ainsi que le budget de puissance à disposition soit suffisant pour alimenter le nombre d’appareil voulus simultanément.

Voici par exemple un chargeur USB à brancher sur la prise allume cigare d’une voiture. On voit la mention de la norme: USB-C PD 3.0 et le budget 119W

Test – kahoot

kahoot..