Sciences de l'ingénieur (Spé) — Électronique
Composants électroniques
Résistances, condensateurs, transistors, amplificateur linéaire intégré (ALI)
Résumé synthétiqueFiche en 4 sectionsQuiz de 10 questionsGratuit, sans pub
Résumé
Les composants électroniques sont les briques de base des circuits de traitement du signal. La résistance limite le courant et crée des chutes de tension, avec un code couleur pour lire sa valeur (par exemple, marron-noir-rouge = 1-0-00 = 1 kΩ). Le condensateur stocke de l'énergie sous forme de charges électriques : sa capacité C en Farads détermine la quantité de charge Q = C × U, et il se charge/décharge avec une constante de temps τ = R × C. Le transistor (bipolaire NPN ou MOSFET) fonctionne comme un interrupteur commandé : un faible courant ou une tension sur la base/grille permet de commuter un courant plus important dans le circuit collecteur/drain. L'amplificateur linéaire intégré (ALI), aussi appelé AOP, amplifie la différence de tension entre ses deux entrées (+ et -) avec un gain très élevé. En régime linéaire, avec rétroaction négative, il réalise des montages amplificateurs (inverseur, non-inverseur) ; en boucle ouverte, il fonctionne en comparateur.
La résistance est le composant le plus simple : elle limite le courant et crée des chutes de tension. Son code couleur permet de lire sa valeur sans appareil de mesure.
- Code couleur à 4 anneaux : 2 premiers = chiffres, 3ᵉ = multiplicateur, 4ᵉ = tolérance.
- Exemple : rouge-violet-orange-or $= 27 \times 10^{3} = 27\ \mathrm{k\Omega}$ ($\pm 5\ \%$).
- Elle dissipe par effet Joule : $P = R \times I^{2}$ ; vérifier la puissance maximale admissible.
- Types : résistance fixe, potentiomètre (variable), CTN, CTP.
- Une CTN voit sa résistance diminuer quand la température augmente $\rightarrow$ capteur de température.
Exemple
Résistance marron-noir-rouge : $1$, $0$, multiplicateur $\times 10^{2}$, soit $10 \times 100 = 1\,000\ \Omega = 1\ \mathrm{k\Omega}$. Sous $I = 10\ \mathrm{mA}$, elle dissipe $P = R I^{2} = 1000 \times (0{,}01)^{2} = 0{,}1\ \mathrm{W}$ : un modèle $\tfrac{1}{4}\,\mathrm{W}$ suffit.
Piège à éviter
Le 3ᵉ anneau est un multiplicateur (une puissance de $10$), pas un 3ᵉ chiffre. Rouge-violet-orange signifie $\times 10^{3}$, pas « $\dots 3$ ».
Le condensateur stocke des charges et se charge/décharge selon une loi exponentielle réglée par la constante de temps $\tau = R \times C$. C'est la base des temporisations et du filtrage.
Charge d'un condensateur : $u(t) = E\,(1 - e^{-t/\tau})$. À $\tau$, $u \approx 63\ \%$ de $E$ ; à $5\tau$, $\approx 99\ \%$.
- Un condensateur stocke des charges : $Q = C \times U$, avec $C$ en farads (souvent $\mathrm{\mu F}$, $\mathrm{nF}$, $\mathrm{pF}$).
- Énergie stockée : $E = \dfrac{1}{2}\,C\,U^{2}$.
- Charge à travers $R$ : $u(t) = E\,(1 - e^{-t/\tau})$ avec $\tau = R \times C$ (constante de temps).
- Après $5\tau$, le condensateur est chargé à $\approx 99\ \%$ de la tension finale.
- Il bloque le courant continu et laisse passer l'alternatif (filtrage).
- Applications : filtrage d'alimentation, temporisation, découplage, oscillateurs.
Exemple
Avec $R = 10\ \mathrm{k\Omega}$ et $C = 100\ \mathrm{\mu F}$ : $\tau = R \times C = 10\,000 \times 100 \times 10^{-6} = 1\ \mathrm{s}$. Le condensateur est quasi chargé après $5\tau = 5\ \mathrm{s}$.
Piège à éviter
Pour calculer $\tau$, convertis $C$ en farads : $100\ \mathrm{\mu F} = 100 \times 10^{-6}\ \mathrm{F}$. Oublier le facteur $10^{-6}$ donne un $\tau$ un million de fois trop grand.
Le transistor est un interrupteur commandé : un faible signal (courant de base ou tension de grille) pilote un courant bien plus grand. C'est lui qui permet à un microcontrôleur de commander un moteur.
- Bipolaire NPN : 3 bornes (Base, Collecteur, Émetteur) ; un petit $I_B$ commande un grand $I_C$.
- En commutation : saturé (fermé, $V_{CE} \approx 0$) ou bloqué (ouvert, $I_C = 0$).
- Gain en courant : $\beta = \dfrac{I_C}{I_B}$, typiquement de $100$ à $300$.
- MOSFET : commandé par une tension de grille (pas de courant de grille), idéal pour la commutation rapide.
- Sert à commander des charges (moteur, LED de puissance, relais) depuis un microcontrôleur.
- La diode de roue libre protège le transistor lors de la commutation de charges inductives.
Exemple
Pour commuter un courant $I_C = 200\ \mathrm{mA}$ avec un transistor de gain $\beta = 100$, le courant de base nécessaire vaut $I_B = \dfrac{I_C}{\beta} = \dfrac{0{,}2}{100} = 2\ \mathrm{mA}$ : largement fournissable par une broche Arduino.
Piège à éviter
Sans diode de roue libre, couper un courant dans une bobine (moteur, relais) crée une surtension qui détruit le transistor. La diode est montée en inverse aux bornes de la charge inductive.
L'ALI (ou AOP) amplifie la différence de tension entre ses deux entrées avec un gain énorme. Avec une rétroaction négative, il réalise des amplificateurs précis ; en boucle ouverte, un comparateur.
- Deux entrées (E+ non-inverseuse, E- inverseuse), une sortie, deux alimentations ($V+$ et $V-$).
- Boucle ouverte : gain différentiel très élevé ($\approx 10^{5}$), la sortie sature à $\pm V_{\mathrm{sat}}$.
- Régime linéaire (rétroaction négative) : $V_+ = V_-$ et courants d'entrée nuls.
- Non-inverseur : $V_s = \left(1 + \dfrac{R_2}{R_1}\right) V_e$.
- Inverseur : $V_s = -\dfrac{R_2}{R_1}\,V_e$.
- Comparateur (boucle ouverte) : $V_s = +V_{\mathrm{sat}}$ si $V_+ > V_-$, sinon $-V_{\mathrm{sat}}$.
- Suiveur : $V_s = V_e$ (gain $1$), adaptateur d'impédance.
Exemple
Montage inverseur avec $R_1 = 10\ \mathrm{k\Omega}$ et $R_2 = 47\ \mathrm{k\Omega}$ : gain $G = -\dfrac{R_2}{R_1} = -\dfrac{47}{10} = -4{,}7$. Une entrée $V_e = 1\ \mathrm{V}$ donne $V_s = -4{,}7\ \mathrm{V}$.
Piège à éviter
Les hypothèses $V_+ = V_-$ et $i = 0$ ne valent qu'en régime linéaire (avec rétroaction négative). En comparateur (boucle ouverte), la sortie sature et $V_+ \neq V_-$.
Quiz - Composants électroniques
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Questions fréquentes
Les points clés à retenir sur Composants électroniques, extraits du quiz de révision.
Quelle est la valeur d'une résistance marron-noir-rouge-or ?
Réponse :
$1\ \mathrm{k\Omega}$
Marron $= 1$, noir $= 0$, rouge $= \times 10^{2}$. Donc $10 \times 100 = 1\,000\ \Omega = 1\ \mathrm{k\Omega}$. L'or donne la tolérance $\pm 5\ \%$.
Quelle est la constante de temps d'un circuit RC avec R = 10 kΩ et C = 100 μF ?
Réponse :
$1\ \mathrm{s}$
$\tau = R \times C = 10\,000 \times 100 \times 10^{-6} = 1\ \mathrm{s}$. Penser à convertir $100\ \mathrm{\mu F}$ en $100 \times 10^{-6}\ \mathrm{F}$.
Après combien de constantes de temps un condensateur est-il chargé à 99 % ?
Réponse :
$5\tau$
Après $5\tau$, le condensateur atteint $\approx 99{,}3\ \%$ de sa tension finale. À $1\tau$ il est à $63\ \%$, à $3\tau$ à $95\ \%$.
Quel est le rôle d'un transistor en commutation ?
Réponse :
Fonctionner comme un interrupteur commandé
En commutation, le transistor est soit bloqué (interrupteur ouvert) soit saturé (interrupteur fermé), commandé par un signal sur sa base/grille.