Electronique

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/ Electronique (Français) / Electronics (Anglais) / الالكترونيك (Arabe)

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Définition écrite

L'électronique analogique est la discipline traitant des systèmes électroniques opérant sur des grandeurs à variation continue. Elle diffère de l'électronique numérique dans laquelle ces dernières sont quantifiées. L'électronique numérique est un domaine scientifique s'intéressant aux systèmes électroniques dont les états parcourent un ensemble fini de possibilités. L'électronique est une branche de la physique appliquée, traitant de la mise en forme et de la gestion de signaux électriques, permettant de transmettre ou recevoir des informations L'électronique de puissance est une branche de l'électrotechnique qui concerne les dispositifs permettant de changer la forme de l'énergie électrique (convertisseurs). L'électronique de puissance comprend l'étude, la réalisation et la maintenance : des composants électroniques utilisés en forte puissance; des structures des convertisseurs; de la commande de ces convertisseurs; des applications industrielles de ces convertisseurs.

Définition graphique

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Concepts ou notions associés

/ Electronique numérique / Electronique analogique / Electronique de puissance / automatisme / régulation

• L'utilisation de systèmes digitaux est en pleine expansion. Pour s'en

convaincre, il n'y a qu'à regarder autour de nous l'explosion de la microinformatique, qui s'est même implantée dans les ménages. Un nombre de plus en plus grand de machines (télévision, voiture, machine à laver, etc.) utilisent de l'électronique numérique. Nous trouvions, jusqu'à l'apparition du microprocesseur, deux grands secteurs dans le domaine des systèmes digitaux. Cette division a subsisté chez les fabricants d'ordinateurs où nous trouvons encore: • le département matériel (hardware) • le département logiciel ou programmation (software) L'apparition du microprocesseur a eu pour effet de diminuer l'importance du matériel et de provoquer un déplacement des moyens de traitement des circuits aux programmes. Ce qui fait que nous nous trouvons de plus en plus face à des programmes qui cernent la machine au plus près. Cela oblige les programmeurs à connaître de mieux en mieux le matériel pour mieux "coller" à l'application avec le programme. Après avoir réduit le marché de la logique câblée, le microprocesseur est parti à la conquête de l'électronique basse fréquence. Il a fait son entréedans un nombre important de secteurs (jeux, télécommunications, automatique, etc.). L'augmentation des possibilités d'intégration (nombre de transistors par mm2 ) conduit à une nouvelle évolution. Les circuits logiques programmables deviennent abordables. La programmation des petites applications se trouve remplacée par de la logique câblée dans ces circuits programmables. Cette évolution permet d'envisager une augmentation de la vitesse de traitement des fonctions. Jusqu'à présent, l'apprentissage de la logique se faisait à travers la dé- couverte des fonctions logiques élémentaires contenues dans les circuits intégrés des familles 74xxx, dont on peut voir quelques types dans figure 1- 1, page 2. Les expérimentations se limitaient aux fonctions proposées par les fabricants de ces circuits. La conception de fonctions logiques regroupant plusieurs de ces circuits nécessitait un câblage conséquent, et la réalisation d'un circuit imprimé de grande surface L'apparition des circuits logiques programmables de type PLD (Programmable Logic Device), CPLD (Complexe PLD, figure 1- 2, page 3) ou FPGA (Field Programmable Gate Array, figure 1- 2, page 3) a permis de s'affranchir de cette limitation. En effet, l'utilisateur peut créer, dans ces circuits, toutes les fonctions logiques qu'il souhaite avec comme seules limitations, la place disponible dans le circuit choisi et/ou la vitesse de fonctionnement de celui-ci. La taille actuelle de ces circuits permet l’intégration d’un système à processeur complet. En anglais, l’abréviation est SoPC pour System on Programmable Chip. Les outils de développement mis à la disposition des utilisateurs doivent donc permettre de passer de la description du comportement d'une fonction logique à son câblage dans le circuit et cela de la manière la plus simple possible. Au début des années 90, la description du comportement des fonctions logiques était faite par l'utilisation de langage dit de "description de matériel". Parmi ceux-ci, on peut citer: La première génération de ces langages permettaient des descriptions au niveau logique. Il a existé deux langages: • Le CUPL utilisé dans les années 1980 à 1994. • Le langage ABEL (Advanced Boolean Equation Language) utilisé dans les années 1990 à 1998 Ce langage a été créé par la société DATA I/O et utilisé ou imité par quasiment tous les concepteurs d'outils de développement pour ce type de circuit (XABEL pour XILINX, AHDL pour ALTERA, PLD pour ORCAD, XPLA pour PHILIPS, etc..) Ce langage n'est plus utilisé actuellement. L'augmentation de la complexité des circuits programmable a nécessité de disposer de langage permettant des descriptions de plus haut niveau (comportementale). Deux langages sont apparu au début des années 1990 pour la conception de circuits ASIC (circuit intégré spécialisé). Ils se sont imposées dés le milieu 1995 pour les circuits logiques programmables. Il s'agit: • Le langage VHDL (Very High Speed Integrated Circuit, Hardware Description Language) qui a été créé pour le développement de circuits intégrés logiques complexes. Il doit son succès, essentiellement, à sa standardisation sous la référence IEEE-1076, qui a permis d'en faire un langage unique pour la description, la modélisation, la simulation, la synthèse et la documentation. • Le langage VERILOG qui est proche du langage VHDL et qui est surtout utilisé aux Etats-Unis.

Exemples, applications, utilisations

Exemples-Applications-Utilisations

• CIRCUIT INTEGRE MULTIFONCTIONS

 APPLICATIONS DE L'AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL EN REGIME LINEAIRE
 APPLICATIONS DE L'AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL EN REGIME NON-LINEAIR

Le sujet du TP devra être lu avant l’arrivée à la séance afin de résoudre les questions liées à la préparation de cette séance de TP. Les questions de préparation du TP ont pour préfixe la lettre P : Px où x est un nombre entier. Les questions relatives à une manipulation en cours de séance sont notées Mx où x est un nombre entier.

Le compte-rendu est la preuve écrite de la qualité du travail effectué par les élèves, de leur sens

d’observation et du niveau de compréhension des phénomènes étudiés. Il doit être clairement rédigé d’une manière concise. Une mauvaise présentation ne peut qu’indisposer le correcteur.

Les résultats numériques doivent être présentés correctement de façon à pouvoir les vérifier. Si ils

sont calculés à partir de mesures expérimentales, ces dernières doivent être indiquées. S’ils résultent d’une interprétation des courbes, celles-ci doivent être annotées.

Les résultats théoriques et numériques devront être encadrés.
Tout montage devra être câblé hors tension et être vérifié d’abord par le binôme puis par l’enseignant

avant la mise sous tension. Ne pas déplacer les appareils d’une table à l’autre. Si un appareil est absent de votre table de TP, le signaler à l’enseignant.

Avant de commencer une série de mesures, il est conseillé de relever les valeurs extrêmes. Ceci

permet de choisir directement les échelles pour les relevés.

• L'électronique a recours à des schémas électriques pour pouvoir la comprendre et la concevoir. Il existe des règles simples qu'il faut maîtriser pour être compris par tous (toutes langues confondues). Rassurez-vous, je ne vais pas vous faire un cours d'anglais car de toute façon, je ne sais pas aligner trois mots en anglais ! :p

Nous allons voir ensemble, dans ce chapitre, comment lire et écrire un schéma, ce qui est la base en électronique. Cela nous prendra pas mal de temps. Pour terminer, nous reviendrons sur les types de générateurs et de récepteurs qui existent.

Lecture et écriture d'un schéma Un peu de vocabulaire

Comme en informatique ou en mathématiques, l'électronique possède un vocabulaire qui lui est propre. Voyons un peu celui qui va nous intéresser pour nos débuts.

Les composants d'un circuit sont :

le générateur, un dipôle qui fournit de l'énergie électrique dans un circuit ; le récepteur qui reçoit quant à lui l'énergie électrique dans un circuit ; le dipôle, un élément du circuit qui possède deux bornes. En général, les dipôles sont des récepteurs. Lois sur les fils et leurs liaisons :

un nœud est une connexion qui relie au moins trois fils ; une branche est une portion de circuit (un fil) comprise entre deux nœuds consécutifs ; une maille est un chemin fermé, formé d'un ou de plusieurs fils (ou branches) et de dipôles dans un circuit électrique. Lois concernant les dipôles :

deux dipôles sont en série lorsqu'ils appartiennent à la même branche ; deux dipôles sont en dérivation (ou en parallèle) lorsqu'ils forment une maille. Pour résumer, voici un schéma que j'ai annoté du vocabulaire présenté ci-dessus :

Image utilisateur Figure 1 − Schéma électrique

Quelques remarques

Le générateur dans un schéma électrique est toujours, je dis bien toujours, placé à gauche. Ni en haut, ni en bas, ni à droite. En effet, pour un électronicien, un schéma électrique est comme un livre qui se lit de gauche à droite et de haut en bas.

La masse d'un circuit est toujours placée vers le bas. Même si elle n'est pas en bas du circuit, son symbole est toujours (je me répète) orienté vers le bas (les traits obliques).

Autre détail : faites attention aux courts-circuits ! Même si ce n'est pas toujours dangereux ou mortel pour le circuit (décidément, on ne se quitte plus), cela peut l'endommager ou bien l'empêcher de remplir correctement sa fonction. C'est souvent la première source de problèmes dans un montage qui ne fonctionne pas, d'autant plus que son dépistage est difficile (mais pas impossible).

Courant et tension

Dans tout dipôle, quel qu’il soit, du courant va circuler. Le courant va donc entrer par une borne du dipôle et sortir par l'autre. La borne du dipôle par laquelle le courant va entrer est appelée l'entrée du dipôle. L'autre borne est appelée la sortie.

Pour éviter certains problèmes, il faut respecter des conventions qui nous précisent le sens dans lequel on doit dessiner la tension et le courant dans un circuit.

Convention générateur

Pour un générateur, la tension et le courant sont dans le même sens.

Image utilisateur Figure 2 − Convention générateur

C'est une règle à respecter absolument. Cette règle est purement conventionnelle, on aurait très bien pu faire l'inverse, mais c'est cette convention qui a été choisie.

Convention récepteur

Pour un récepteur, c'est exactement l'inverse : la tension et le courant vont dans le sens contraire car le récepteur reçoit du courant. La tension, quant à elle, ne se flèche pas dans le sens inverse.

Image utilisateur Figure 3 − Convention récepteur

Branchement en série et en parallèle

Évidemment, on n'utilise presque jamais de circuits ne comprenant qu'un seul dipôle et un générateur. Il faut souvent placer dans le même circuit plusieurs récepteurs, et pour cela, on va devoir relier nos récepteurs et générateur(s) entre eux.

Pour relier deux récepteurs entre eux, on dispose de deux moyens :

les relier en série ; les relier en parallèle (en dérivation). Branchement en série

Nous en avons vu un exemple tout à l'heure. En voici un autre :

Image utilisateur Figure 4 − Montage avec un générateur et deux résistances en série

Dans un circuit (ou une partie d'un circuit) où les dipôles sont en série, il n'existe qu'un seul parcours pour le courant. Celui-ci est alors égal en tout point du circuit.

Branchement en parallèle

Image utilisateur Figure 5 − Montage avec un générateur et deux résistances en parallèle

Plus compliqué cette fois, et pour cause : il y a deux parcours possibles pour le courant. Il ne choisira pas une branche ou une autre, mais les deux ! Il va en effet se répartir (pas forcément de manière égale) dans chacune des branches et se recombiner en un seul courant lorsqu'il aura traversé ces deux branches. On dit alors qu'il y a trois mailles dans le circuit.

Qu'est-ce qu'une maille ?

Une maille est une portion de circuit fermé partant d'un point et revenant à son point de départ.

Pour trouver une maille dans un circuit, tentez ceci : prenez un endroit du circuit, n'importe lequel. Si vous suivez les fils du circuit en traçant un chemin et que vous revenez à votre point de départ, alors le trajet que vous avez suivi constitue une maille.

Reprenons le montage précédent et traçons les mailles :

Image utilisateur Figure 6 − Trois mailles identifiées (rouge, bleu et verte)

Les générateurs Vous savez ce qu'est un générateur, mais ce que vous ne savez peut-être pas, c'est qu'il existe deux types de générateurs différents :

les générateurs de tension ; les générateurs de courant. Le générateur de tension

On parle aussi de source de tension. Son rôle est de créer une tension à ses bornes. C'est cette tension qui agira sur les charges d'un circuit et qui créera un courant dans tout le circuit. En général, on représente notre source de tension comme ceci :

Image utilisateur Figure a.1 − Symboles schématiques pour les sources de tension continue

Néanmoins, on peut parfois trouver un autre symbole pour les piles et les accumulateurs.

Le générateur de courant

Comme son nom l'indique, un générateur de courant crée un courant. Original, non ? On représente notre source de courant comme ceci :

Image utilisateur Figure a.2 − Symboles schématiques pour les sources de courant

Générateurs continus

En électronique, on travaille uniquement avec des tensions et des courants. Et pour commencer sur de bonnes bases, il faut absolument commencer par parler d'une distinction fondamentale : la différence entre continu et alternatif.

Certains générateurs peuvent fournir une tension ou un courant variables. C'est-à-dire que la valeur de la grandeur physique fournie n'est pas la même à un temps t=0 et un temps t=1,5s, par exemple. Une pile ne peut fournir qu'une tension constante tandis que le secteur électrique fournit une tension variable.

Tension continue

En continu, la tension fournie par le générateur garde une valeur constante. Elle ne varie pas au court du temps. C'est le cas le plus simple.

Image utilisateur Figure 7 − Tension continue

En fait, ce type de générateur fournit une tension constante et ce quel que soit le besoin du circuit en courant électrique. Par exemple, le générateur fournit une tension de 10V, eh bien si le montage a besoin de 1mA, le générateur fournira du 10V à 1mA. Maintenant, si le montage a besoin de 40A, le générateur fournira du 10V à 40A !

Courant continu

Pareil que pour la tension continue, mais là, quelle que soit la tension demandée, le courant reste identique.

Image utilisateur Figure 8 − Courant continu

Dans la suite du cours, les schémas auront pour source d'énergie des générateurs idéaux. Générateurs non continu

Les générateurs non continu, nous l'avons vu, sont des générateurs qui fournissent une grandeur physique qui a la faculté de varier au cours du temps. Il en existe deux types : les générateurs variables et les générateurs périodiques.

Signal quelconque

Un générateur variable fournit un courant et/ou de la tension qui varient au court du temps. On appelle cela des signaux électriques.

Voici un exemple de signal électrique dont la forme est arbitraire :

Image utilisateur Ici, c'est la tension qui varie, mais cela aurait très bien pu être le courant.

Générateurs périodiques

Ces générateurs fournissent des signaux qui varient au cours du temps, mais qui ont la particularité de se répéter cycliquement, c'est-à-dire qu'ils ont une forme de base qui se répète un certain nombre de fois par seconde. On appelle de tels signaux des signaux périodiques. Voici un exemple :

Image utilisateur Propriétés

Ces signaux possèdent des caractéristiques importantes que n'ont pas les autres signaux et qu'il faut connaître à tout prix :

la fréquence ; la période ; l'amplitude crête et crête à crête ; le rapport cyclique. La période

Commençons judicieusement par la période.

La période est la forme du signal qui se répète au cours du temps. Pour la définir, il faut en fait partir d'un point du signal, parcourir ce signal jusqu'à retomber au même point, mais avec un temps de décalage. Plus précisément, ces points auront la même ordonnée mais une abscisse différente. L'espace de temps entre ces deux abscisses est ce qu'on appelle la durée de la période. On note souvent cette durée T et on l'appelle souvent période par abus de langage.

Image utilisateur La durée de la période correspond à : T = t2 - t1

La fréquence

La fréquence d'un signal est simplement le nombre de fois qu'un signal va se répéter par seconde. L'unité de la fréquence est le hertz. La fréquence d'un signal se note souvent f (simple, non ?). Cette fréquence peut se calculer à partir de la durée de la période T. En effet, la fréquence vaut 1T1T. L'amplitude crête

L'amplitude crête est la valeur maximale atteinte par notre signal durant un cycle.

Image utilisateur L'amplitude crête à crête

Lorsque notre tension varie, elle varie entre une valeur maximum et une valeur minimum. La différence entre ces deux valeurs se nomme l'amplitude crête à crête.

Image utilisateur Le rapport cyclique

On remarque que, durant une période, le signal reste à sa valeur maximale pendant un certain temps. On appelle le rapport entre ce temps et la période le rapport cyclique.

Les formes connues de signaux

Il existe toute une panoplie de signaux périodiques (sinusoïdaux, créneaux, triangulaires, …), mais seule une partie d'entre eux ont un réel intérêt, car ce sont eux qui sont majoritairement employés.

On va donc se concentrer sur trois types de signaux :

les signaux sinusoïdaux ; les signaux triangulaires ; les signaux carrés. Le signal sinusoïdal

Un signal dit sinusoïdal dessine une jolie vague que l'on appelle une sinusoïde. Voici à quoi cela ressemble :

Image utilisateur Le signal triangulaire

La forme de la période est ici un triangle :

Image utilisateur Le signal carré

Ce genre de signal est très utilisé, notamment pour synchroniser des circuits qui doivent communiquer entre eux :

Image utilisateur Ce signal peut donc prendre deux valeurs :

une valeur maximale ; une valeur minimale. Dans la réalité, le courant et la tension ne passent pas immédiatement de la valeur minimale à la valeur maximale. Il y a un certain temps de latence, nommé le temps de montée, durant lequel la tension et le courant vont progressivement passer de la valeur minimale à la valeur maximale.

De même, il y a aussi un temps de descente durant lequel la tension passe de sa valeur maximale à sa valeur minimale.

En dilatant le signal précédent, on obtient ceci :

Image utilisateur Pourquoi cela ne passe-t-il pas directement de la valeur maximale à la valeur minimale ? La réponse est simple : chaque signal est une fonction du temps. En mathématiques, une fonction n'est définie que si elle n'est pas disjointe, c'est-à-dire qu'elle ne peut pas avoir deux points dont l'abscisse est la même.

Les récepteurs Un récepteur, nous l'avons entrevu, est un dipôle qui va simplement se faire traverser par un courant et réagir en conséquence.

Les récepteurs sont classés en deux catégories :

les composants passifs ; les composants actifs. Les récepteurs passifs

Les composants dits passifs sont des composants électroniques qui ne permettent aucune amplification du signal appliqué sur leur entrée.

Composants linéaires

Un composant linéaire ne fait subir aucune déformation au signal qui lui est appliqué sur son entrée. En revanche, certaines propriétés du signal appliqué peuvent être modifiées (amplitude, phase). En clair, le composant multiplie la valeur du signal et peut éventuellement décaler celui-ci, mais il ne fait rien de plus.

On peut citer les composants passifs linéaires suivants :

la résistance ; le condensateur ; la bobine ; l'ampoule (qui est en fait une résistance qui créer de la lumière). Composants non linéaires

Inversement par rapport aux composants linéaires, les non linéaires déforment en partie le signal qui est appliqué à leur entrée. Seule la diode possède cette caractéristique.

Les récepteurs actifs

Contrairement aux récepteurs passifs, les récepteurs actifs peuvent amplifier un signal appliqué sur leur entrée.

Composants linéaires et non linéaires

J'ai regroupé les deux catégories car il y a deux fonctionnements possibles pour lesdits composants. En effet, dans une fourchette de valeurs, le signal peut être amplifié sans être déformé en sortie. Mais passé ces valeurs, le composant actif ne remplit plus sa fonction et déforme le signal ou même ne l'amplifie plus. On peut citer :

le transistor ; l'amplificateur opérationnel.

Erreurs ou confusions éventuelles

• Confusion entre electricité et electronique
• Confusion entre fréquence basse niveau et fréquence haute niveau
• Erreur fréquente: .................

Questions possibles

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Difficultés liées à son enseignement'

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Bibliographie

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- Bibliographie :

• ☛ Traité de l ’électronique analogique et numérique (Vol.1), Paul Horowitz & Winfield Hill, Elektor,1996
• ☛ Principes d’électronique, Alberto P. Malvino, McGraw-Hill, 1991
• ☛ Electronique: composants et systèmes d'application, Thomas L. Floyd, Dunod, 2000
• ☛Microélectronique, Jacob Millman, Arvin Grabel, Ediscience International, 1994

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