ÉLECTRONIQUE, 4ÈME ANNÉE, OPTION ÉLECTRICITÉ

Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC.

PRÉLIMINAIRES

1. Objectifs Généraux du Cours 🎯

Ce cours de terminale constitue le sommet de la formation en électronique, visant à doter le futur technicien supérieur des compétences nécessaires pour analyser, maintenir et mettre en œuvre des systèmes électroniques industriels et de puissance. L’objectif est de passer de l’étude des fonctions de base à celle des systèmes complets, en intégrant l’électronique de puissance, les chaînes de régulation et les fondements de l’automatisme. Au terme de ce module, l’apprenant doit maîtriser les principes de la conversion d’énergie, comprendre l’architecture d’un système automatisé simple à base d’automate programmable, et être capable de diagnostiquer des pannes sur des systèmes électroniques complexes.

2. Approche Pédagogique Recommandée 🧑‍🏫

La pédagogie de cette année finale sera résolument orientée vers les systèmes et les projets. Les études de cas industriels formeront le fil rouge de l’enseignement. L’enseignant mettra les élèves en situation de techniciens de maintenance ou de bureau d’études, face à des problématiques concrètes : conception d’une alimentation à découpage, programmation d’un petit cycle automatique sur un automate programmable didactique, ou analyse d’une chaîne de régulation de température. Le laboratoire d’électronique de puissance, avec ses règles de sécurité strictes, sera un lieu d’expérimentation central. Des visites d’entreprises industrielles, par exemple dans la zone industrielle de Limete à Kinshasa, sont fortement encouragées pour confronter les élèves à la réalité des technologies étudiées.

3. Prérequis du Cours 📚

Une maîtrise totale et approfondie des programmes d’Électricité et d’Électronique des trois années précédentes est un prérequis absolu. L’élève doit exceller dans l’analyse des circuits à transistors et amplificateurs opérationnels, comprendre les principes du régime sinusoïdal et des systèmes triphasés, et posséder de solides compétences en lecture de schémas complexes. Une forte capacité d’analyse, de synthèse et un raisonnement logique rigoureux sont indispensables.

PARTIE 1 : COMPOSANTS ACTIFS MODERNES ET AMPLIFICATION SPÉCIALISÉE

Cette partie approfondit l’étude des composants à semi-conducteurs en introduisant les transistors à effet de champ, qui sont dominants dans de nombreuses applications, et en abordant les aspects pratiques des amplificateurs de puissance. Elle explore également les applications non linéaires de l’amplificateur opérationnel, ouvrant la porte aux circuits de commande et de comparaison.

Chapitre 1: Le Transistor à Effet de Champ (FET)

1.1. Le Transistor à Effet de Champ à Jonction (JFET)

Le principe du JFET, où la conduction d’un canal est modulée par le champ électrique d’une jonction polarisée en inverse, est expliqué. Sa caractéristique de commande en tension (et non en courant comme le BJT) et son impédance d’entrée très élevée sont mises en avant.

1.2. Le Transistor à Effet de Champ à Grille Isolée (MOSFET)

La technologie MOSFET, qui domine l’électronique moderne, est étudiée. La différence entre les types « à enrichissement » et « à appauvrissement » est expliquée. Sa très haute impédance d’entrée et sa rapidité de commutation en font le composant de choix pour les applications de commutation et de haute fréquence.

1.3. Le MOSFET de Puissance

La structure spécifique des MOSFET de puissance (VMOS), conçue pour commuter des courants et des tensions élevés, est présentée. Ils sont au cœur des alimentations à découpage, des variateurs de vitesse et de nombreux autres convertisseurs de puissance.

1.4. Le Transistor Bipolaire à Grille Isolée (IGBT)

L’IGBT est introduit comme un composant hybride qui combine les avantages du MOSFET (commande en tension simple) et du transistor bipolaire (faible chute de tension à l’état passant). Il est le composant de prédilection pour les applications de forte puissance et de moyenne fréquence, comme les onduleurs industriels.

Chapitre 2: Amplificateurs de Puissance et Dissipation Thermique

2.1. Les Drivers et Étages Pilotes

Pour commander un transistor de puissance, un étage d’amplification intermédiaire, ou « driver », est souvent nécessaire. Son rôle est d’adapter les niveaux de tension et de fournir le courant nécessaire à la commande de l’étage final.

2.2. Le Rendement des Amplificateurs de Puissance

Le calcul du rendement énergétique des différentes classes d’amplification est approfondi. Le rendement théorique maximal de la classe B (78.5%) est comparé à celui de la classe A (25%), justifiant le choix de la classe B/AB pour les applications de puissance.

2.3. La Notion de Résistance Thermique et le Radiateur

La problématique de la dissipation thermique est introduite. La puissance perdue par un composant se transforme en chaleur, qui doit être évacuée pour éviter sa destruction. La notion de résistance thermique et l’analogie avec la loi d’Ohm sont utilisées pour calculer la température de la jonction.

2.4. Dimensionnement d’un Dissipateur Thermique (Radiateur)

La méthodologie de choix et de dimensionnement d’un radiateur est enseignée. En fonction de la puissance à dissiper et des températures ambiante et maximale admissible, l’élève apprend à calculer la résistance thermique nécessaire pour le dissipateur, une compétence essentielle pour la fiabilité de toute électronique de puissance.

PARTIE 2 : L’ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE

Cette section est au cœur du programme de terminale. Elle est consacrée à l’étude des circuits qui utilisent les composants de puissance pour convertir l’énergie électrique d’une forme à une autre (AC/DC, DC/DC, DC/AC), une technologie omniprésente dans l’industrie moderne.

Chapitre 3: Les Redresseurs Commandés et les Gradateurs

3.1. Le Thyristor (SCR) : Amorçage et Blocage

Le fonctionnement du thyristor est détaillé. C’est un interrupteur unidirectionnel qui, une fois amorcé par une impulsion sur la gâchette, reste conducteur tant que le courant qui le traverse ne s’annule pas.

3.2. Le Redresseur Monophasé Commandé

Le pont redresseur à thyristors est étudié. En retardant l’impulsion d’amorçage par rapport au passage à zéro de la tension alternative, il est possible de faire varier la valeur moyenne de la tension continue de sortie, permettant ainsi de régler la vitesse d’un moteur à courant continu.

3.3. Le Triac et le Gradateur

Le Triac est présenté comme l’équivalent de deux thyristors montés en tête-bêche, capable de commuter le courant alternatif dans les deux sens. Le circuit du gradateur, qui contrôle la puissance d’une charge en découpant l’onde sinusoïdale, est analysé.

3.4. Applications : Démarreurs Progressifs et Régulation de Chauffage

Les applications de ces convertisseurs sont explorées : les démarreurs progressifs pour moteurs asynchrones, qui assurent une montée en tension douce, et la régulation de puissance pour les fours industriels, des équipements courants dans les industries de transformation de la RDC.

Chapitre 4: Les Hacheurs (Convertisseurs DC/DC)

4.1. Le Hacheur Série (Abaisseur / « Buck »)

Le principe du hacheur série est expliqué : un interrupteur électronique (MOSFET ou IGBT) découpe une tension continue à haute fréquence. En filtrant la sortie, on obtient une tension continue de valeur moyenne inférieure, réglable via le rapport cyclique de la commande.

4.2. Le Hacheur Parallèle (Élévateur / « Boost »)

Le hacheur parallèle, qui permet d’obtenir en sortie une tension continue supérieure à la tension d’entrée, est étudié. Son fonctionnement, basé sur le stockage d’énergie dans une inductance, est détaillé.

4.3. Les Alimentations à Découpage (SMPS)

L’architecture d’une alimentation à découpage moderne est présentée. Elle combine souvent un redresseur, un hacheur et une isolation par transformateur haute fréquence, offrant un rendement et une compacité bien supérieurs aux alimentations linéaires traditionnelles.

4.4. Applications : Chargeurs de Batteries et Traction Électrique

Les applications des hacheurs sont nombreuses : régulateurs de charge pour panneaux solaires, qui adaptent la tension du panneau à celle de la batterie, et commande des moteurs à courant continu dans les véhicules électriques ou les locomotives, comme celles de la SNCC.

Chapitre 5: Les Onduleurs (Convertisseurs DC/AC)

5.1. Le Pont en H

La structure de base de l’onduleur, le pont en H à quatre interrupteurs, est analysée. En commandant judicieusement l’ouverture et la fermeture des interrupteurs, il est possible de créer une tension alternative aux bornes de la charge à partir d’une source continue.

5.2. La Commande « Pleine Onde »

La commande la plus simple, la commande « pleine onde » ou « carrée », est présentée. Elle génère une tension de sortie rectangulaire, riche en harmoniques et peu adaptée aux charges sensibles.

5.3. La Commande par Modulation de Largeur d’Impulsion (MLI / PWM)

La technique de la MLI (ou PWM en anglais) est expliquée. L’onde de sortie est découpée à très haute fréquence de telle manière que sa valeur moyenne suive une sinusoïde de référence. Après filtrage, on obtient une tension de sortie quasi sinusoïdale de grande qualité.

5.4. Applications : Variateurs de Vitesse et Onduleurs de Réseau

Les deux applications majeures de l’onduleur MLI sont étudiées : il constitue l’étage de sortie des variateurs de vitesse pour moteurs asynchrones, et il est le composant clé des onduleurs de réseau qui injectent l’énergie des panneaux solaires dans le réseau électrique public.

PARTIE 3 : SYSTÈMES ÉLECTRONIQUES APPLIQUÉS

Cette partie se concentre sur l’étude de systèmes complets qui intègrent de nombreuses fonctions électroniques, en abordant les principes des télécommunications, des systèmes d’affichage et en introduisant les briques de base des systèmes logiques séquentiels.

Chapitre 6: Principes des Chaînes de Transmission Radio

6.1. La Chaîne d’Émission Radio

Le schéma synoptique d’un émetteur radio AM ou FM est présenté, en identifiant les blocs fonctionnels : la source basse fréquence (microphone), l’oscillateur de la porteuse, l’étage de modulation, et l’amplificateur de puissance radiofréquence qui attaque l’antenne.

6.2. Le Récepteur Superhétérodyne

L’architecture superhétérodyne, utilisée dans la quasi-totalité des récepteurs radio, est détaillée. Son principe est de transposer la fréquence de la station reçue à une fréquence intermédiaire (FI) fixe, ce qui permet de réaliser des filtres et des amplificateurs très sélectifs et performants.

6.3. Les Blocs du Récepteur : Mélangeur, OL, Ampli FI

Les blocs clés du récepteur sont étudiés : l’oscillateur local (OL) dont la fréquence varie pour sélectionner la station, le mélangeur qui génère la fréquence intermédiaire, et l’amplificateur FI qui assure la majorité du gain et de la sélectivité du récepteur.

6.4. La Démodulation FM

Les circuits spécifiques à la démodulation de la fréquence (FM) sont introduits, comme le discriminateur ou le détecteur de rapport, qui transforment les variations de fréquence du signal FI en une variation de tension, restituant ainsi le signal audio d’origine. C’est une technologie essentielle pour les nombreuses radios qui émettent en FM à travers le pays.

Chapitre 7: Logique Séquentielle et Mémoires

7.1. Les Bascules Logiques (Flip-Flops)

La bascule RS est introduite comme le circuit de mémorisation de base, capable de stocker un bit d’information. Les bascules synchrones plus évoluées (D, JK) qui ne changent d’état que sur un front d’horloge sont ensuite présentées.

7.2. Les Registres

Un registre est présenté comme un ensemble de bascules D permettant de mémoriser une information de plusieurs bits (un mot binaire). Les registres à décalage, qui peuvent décaler l’information d’un bit à chaque coup d’horloge, sont également étudiés.

7.3. Les Compteurs Asynchrones et Synchrones

Le compteur est un circuit séquentiel qui passe par une séquence prédéfinie d’états. Les compteurs binaires asynchrones (à propagation) et synchrones (à commande parallèle) sont conçus et analysés.

7.4. Introduction aux Mémoires

Les grands types de mémoires à semi-conducteurs sont classifiés : les mémoires vives (RAM, volatiles) et les mémoires mortes (ROM, non volatiles). Leur organisation en une matrice de cellules adressables est expliquée de manière conceptuelle.

PARTIE 4 : INTRODUCTION AUX SYSTÈMES AUTOMATISÉS ET À LA RÉGULATION

Cette dernière partie est la porte d’entrée vers le métier d’automaticien. Elle présente les composants et l’architecture des systèmes de commande industrielle, en se concentrant sur l’outil central qu’est l’automate programmable, et introduit les principes de la régulation en boucle fermée.

Chapitre 8: Les Capteurs et Actionneurs Industriels

8.1. Les Capteurs Tout-ou-Rien (TOR)

Une revue des capteurs industriels les plus courants est effectuée : les détecteurs de position mécaniques (fins de course), les détecteurs de proximité inductifs (pour les métaux), capacitifs (pour tous matériaux) et photoélectriques (barrières lumineuses).

8.2. Les Capteurs Analogiques

Les capteurs qui délivrent un signal proportionnel à la grandeur mesurée sont introduits : les capteurs de température (Pt100, thermocouple), de pression, de niveau et de débit. Les standards de signaux analogiques (4-20 mA, 0-10 V) sont présentés.

8.3. Les Préactionneurs

Les préactionneurs sont les composants qui font l’interface entre la faible puissance de la commande et la forte puissance des actionneurs. Le rôle des contacteurs pour les moteurs et des distributeurs pour les vérins pneumatiques est expliqué.

8.4. Les Actionneurs

Les principaux actionneurs industriels sont listés : les moteurs électriques pour créer des mouvements de rotation, les vérins pneumatiques ou hydrauliques pour les mouvements de translation, et les vannes motorisées pour le contrôle des fluides.

Chapitre 9: Introduction aux Automates Programmables Industriels (API/PLC)

9.1. Architecture Matérielle d’un API

L’architecture matérielle d’un automate compact est disséquée : l’alimentation, l’unité centrale (CPU) qui exécute le programme, la mémoire, et les modules d’entrées/sorties (E/S) qui le connectent au processus.

9.2. Le Cycle de Fonctionnement de l’API

Le fonctionnement cyclique et déterministe de l’automate est expliqué : lecture de toutes les entrées, exécution du programme utilisateur, et mise à jour de toutes les sorties. Ce cycle rapide garantit la réactivité du système.

9.3. Le Langage de Programmation à Contacts (Ladder)

Le langage Ladder (LD) est présenté comme le langage de programmation le plus utilisé, car il est directement inspiré des schémas de logique à relais. Les symboles de base (contacts, bobines) et leur interprétation par l’automate sont enseignés.

9.4. Mise en Œuvre d’un Automatisme Simple

Un exemple simple, comme la commande d’un système « marche-arrêt » de moteur, est programmé en Ladder. L’élève apprend à traduire un cahier des charges simple en un programme fonctionnel, une compétence de plus en plus demandée dans l’industrie congolaise, notamment dans le secteur minier ou brassicole.

Chapitre 10: Introduction à la Régulation Industrielle

10.1. La Boucle de Régulation

Le concept de régulation en boucle fermée est introduit. Il est comparé à la commande en boucle ouverte et son avantage (correction des perturbations) est mis en évidence. Les éléments de la boucle (capteur, comparateur, régulateur, actionneur) sont identifiés.

10.2. Le Régulateur Proportionnel (P)

L’action proportionnelle est expliquée : la commande est proportionnelle à l’écart entre la consigne et la mesure. L’existence d’une erreur statique résiduelle avec ce type de régulateur est démontrée.

10.3. Les Actions Intégrale (I) et Dérivée (D)

L’action intégrale est introduite pour annuler l’erreur statique, tandis que l’action dérivée permet d’anticiper les variations et de stabiliser la boucle.

10.4. Le Régulateur PID

Le régulateur PID (Proportionnel, Intégral, Dérivé) est présenté comme le régulateur industriel par excellence, combinant les trois actions pour une performance optimale. Le principe du réglage des paramètres du PID est abordé de manière qualitative.

ANNEXES

Les annexes constituent une base de données pour le futur technicien supérieur en automatismes. Elles contiennent des fiches de choix pour les capteurs industriels, des guides de programmation pour les instructions de base du langage Ladder, des schémas types de raccordement d’API, et des exemples de boucles de régulation. Un glossaire complet des termes de l’électronique de puissance et de l’automatisme est également inclus.