CIRCUITS ÉLECTRONIQUES

4ÈME ANNÉE – OPTION ÉLECTRONIQUE

Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC

Préliminaires

1. Objectifs Généraux du Cours

Ce manuel a pour objectif de synthétiser et d’appliquer l’ensemble des connaissances acquises en électronique pour l’analyse et la conception de systèmes complexes. Le cours aborde les circuits de commutation et de génération de signaux, explore en profondeur l’amplificateur opérationnel comme brique de construction universelle, introduit les composants de l’électronique de puissance, et culmine avec les fondements des circuits numériques séquentiels et des microprocesseurs. La finalité est de former un technicien polyvalent, capable de naviguer avec aisance entre les mondes de l’électronique analogique, de puissance et numérique.

2. Compétences Visées

Au terme de cette année de formation, l’élève détiendra la capacité de :

• Concevoir et analyser des circuits de mise en forme de signaux, tels que les multivibrateurs et les générateurs de rampes.
• Mettre en œuvre l’amplificateur opérationnel dans des applications linéaires (amplification, filtrage) et non linéaires (comparaison).
• Analyser le fonctionnement des thyristors et des triacs et les appliquer dans des circuits de commande de puissance.
• Concevoir des circuits logiques séquentiels, notamment des compteurs et des registres, à l’aide de bascules.
• Comprendre l’architecture de base d’un système à microprocesseur et les principes de la conversion de données.

3. Approche Pédagogique

La démarche pédagogique est intégrative et orientée vers les systèmes. Plutôt que d’étudier des composants isolés, le cours se concentre sur la manière de les assembler pour réaliser des fonctions de haut niveau. L’approche est duale : l’analyse de circuits existants pour en extraire les principes de fonctionnement est complétée par des projets de conception qui exigent de l’élève la synthèse de ses connaissances. Des études de cas, comme la conception d’un gradateur de lumière pour un théâtre à Lubumbashi, l’analyse du système de comptage d’un compteur d’énergie de la SNEL, ou l’étude d’un système d’acquisition de données pour une station météorologique à Mbandaka, ancrent l’apprentissage dans des problématiques technologiques concrètes et motivantes.

PREMIÈRE PARTIE : CIRCUITS DE COMMUTATION ET DE GÉNÉRATION DE SIGNAUX 🔄

Cette partie explore le comportement du transistor lorsqu’il est utilisé non plus comme un amplificateur linéaire, mais comme un interrupteur commandé. Ce régime de fonctionnement « tout ou rien » est le fondement de toute l’électronique numérique et des circuits de génération d’ondes. L’élève y apprendra à concevoir les briques de base de la temporisation et de la mémorisation : les multivibrateurs, ainsi que les circuits capables de générer des signaux non sinusoïdaux essentiels à de nombreuses applications.

CHAPITRE 1 : LE TRANSISTOR EN RÉGIME DE COMMUTATION

1.1. Les états de blocage et de saturation

Ce sous-chapitre analyse en détail les deux états extrêmes du transistor sur sa droite de charge. L’état bloqué, où le transistor se comporte comme un interrupteur ouvert, et l’état saturé, où il se comporte comme un interrupteur fermé, sont définis. Les conditions de polarisation pour atteindre ces états sont établies.

1.2. Caractéristiques statiques et dynamiques du commutateur

Les caractéristiques du transistor en tant qu’interrupteur sont étudiées. L’élève analysera la tension de déchet () en saturation et le courant de fuite en blocage. Les temps de commutation (temps de montée, de descente, de stockage) sont également introduits comme facteurs limitant la vitesse du composant.

1.3. Le montage inverseur logique

Le montage le plus simple, un transistor en émetteur commun, est présenté comme un inverseur logique. L’élève comprendra que si l’entrée est à un niveau haut, la sortie est à un niveau bas, et vice-versa. Ce circuit est la porte logique « NON » la plus élémentaire.

1.4. Commande de charges

L’utilisation du transistor en commutation pour commander des charges de plus forte puissance (relais, lampes, petits moteurs) est expliquée. La nécessité d’une résistance de base pour limiter le courant de commande et le rôle de la diode de roue libre pour la commande de charges inductives sont soulignés.

CHAPITRE 2 : LES MULTIVIBRATEURS ASTABLES ET MONOSTABLES

2.1. Le multivibrateur astable

Le multivibrateur astable est un circuit qui génère de manière autonome un signal rectangulaire. Son schéma classique à deux transistors est analysé. L’élève comprendra le mécanisme de bascule perpétuelle entre les deux transistors et apprendra à calculer la période des oscillations en fonction des valeurs des résistances et des condensateurs.

2.2. Le multivibrateur monostable

Le multivibrateur monostable possède un seul état stable. Une impulsion de commande le fait basculer dans un état quasi-stable pour une durée déterminée avant de revenir à son état initial. Son utilisation comme circuit de temporisation ou de mise en forme d’impulsions est expliquée.

2.3. L’expression des périodes

Pour chaque type de multivibrateur, l’élève établira et utilisera les formules mathématiques qui permettent de calculer la période (pour l’astable) ou la durée de l’impulsion (pour le monostable) en fonction des composants du circuit (RC).

2.4. Les oscillogrammes caractéristiques

L’élève apprendra à tracer les formes d’ondes (oscillogrammes) aux points clés de ces circuits (bases et collecteurs des transistors). L’analyse de ces graphiques est un outil puissant pour comprendre et déboguer le fonctionnement des multivibrateurs.

CHAPITRE 3 : LES BASCULES (MULTIVIBRATEURS BISTABLES) ET LA MÉMORISATION

3.1. Le multivibrateur bistable

Le multivibrateur bistable, ou bascule, possède deux états stables. Il peut rester indéfiniment dans l’un ou l’autre état et ne bascule que sous l’effet d’une commande externe. L’élève découvrira ainsi le principe de la mémorisation d’une information binaire (1 bit).

3.2. La bascule RS

La bascule Set-Reset (RS) est le circuit de mémorisation le plus simple. Son schéma à deux transistors ou à deux portes logiques est analysé. Sa table de vérité, qui décrit l’état de la sortie en fonction des entrées S et R, est établie.

3.3. La bascule JK et la bascule D

Les bascules synchrones, commandées par un signal d’horloge, sont introduites. La bascule JK, la plus polyvalente, et la bascule D (Data ou Delay), utilisée pour la mémorisation et dans les registres, sont présentées avec leurs tables de vérité et leurs applications.

3.4. Applications des bascules

Ce sous-chapitre illustre l’importance des bascules comme briques de base de l’électronique numérique séquentielle. Leurs applications dans les diviseurs de fréquence, les mémoires et les registres sont introduites.

CHAPITRE 4 : LES GÉNÉRATEURS DE SIGNAUX EN DENTS DE SCIE

4.1. Le principe du générateur de rampe

Un signal en dents de scie, ou rampe de tension, est un signal dont la tension croît linéairement avec le temps avant de revenir brutalement à sa valeur initiale. Son principe de base repose sur la charge d’un condensateur à courant constant.

4.2. Générateur de rampe simple

Le circuit le plus simple, basé sur la charge d’un condensateur à travers une résistance, est présenté. L’élève constatera que la charge n’est pas parfaitement linéaire (elle est exponentielle) et que ce circuit ne convient qu’à des applications peu exigeantes.

4.3. La linéarisation de la rampe

Pour obtenir une rampe de haute linéarité, il faut charger le condensateur avec une source de courant constant. Des schémas utilisant un transistor pour réaliser cette fonction sont analysés.

4.4. Symétrisation et dispositifs de charge/décharge

Ce sous-chapitre explique comment des dispositifs de commutation (comme un transistor à jonction unique – UJT) sont utilisés pour provoquer la décharge rapide du condensateur à la fin de la rampe. Le fonctionnement de ces circuits de déclenchement est détaillé.

DEUXIÈME PARTIE : L’AMPLIFICATEUR OPÉRATIONNEL ET SES APPLICATIONS LINÉAIRES 🧠

Cette partie est consacrée au composant le plus polyvalent de l’électronique analogique : l’amplificateur opérationnel (Ampli-Op). L’élève découvrira ce circuit intégré comme une « brique » quasi parfaite, dont le comportement est presque entièrement défini par les composants externes qui lui sont connectés. L’étude se concentre sur ses applications en régime linéaire, où il est utilisé pour réaliser avec une très grande précision des fonctions mathématiques telles que l’amplification, la sommation, l’intégration ou le filtrage.

CHAPITRE 5 : L’AMPLIFICATEUR DIFFÉRENTIEL ET L’AMPLI-OP IDÉAL

5.1. L’amplificateur différentiel

L’amplificateur différentiel est le cœur de l’étage d’entrée de tout ampli-op. Son schéma à deux transistors est analysé. L’élève apprendra qu’il amplifie la différence entre ses deux tensions d’entrée (mode différentiel) tout en rejetant fortement les signaux qui leur sont communs (mode commun).

5.2. Caractéristiques de l’amplificateur opérationnel idéal

Pour simplifier l’analyse, l’ampli-op est d’abord modélisé par un circuit idéal aux caractéristiques extraordinaires : gain en tension infini, impédance d’entrée infinie, impédance de sortie nulle et bande passante infinie.

5.3. Fonctionnement en régime linéaire : la contre-réaction

L’élève découvrira la règle d’or : lorsqu’un ampli-op est utilisé avec une boucle de contre-réaction négative, il fait tout ce qu’il peut pour que la tension différentielle à ses entrées soit nulle (). Ce principe est la clé de l’analyse de tous les montages linéaires.

5.4. L’amplificateur opérationnel réel (µA741)

Les caractéristiques d’un ampli-op réel (comme le célèbre µA741) sont présentées. L’élève étudiera ses limitations par rapport au modèle idéal : gain fini, impédances finies, courants de polarisation, tension de décalage (offset), et vitesse de balayage (slew rate).

CHAPITRE 6 : MONTAGES LINÉAIRES FONDAMENTAUX À AMPLI-OP

6.1. L’amplificateur inverseur

Le montage amplificateur inverseur est analysé. En appliquant la règle , l’élève démontrera que le gain en tension de ce circuit est fixé avec une très grande précision par le simple rapport de deux résistances externes ().

6.2. L’amplificateur non-inverseur et le montage suiveur

Le montage non-inverseur, dont le gain est , est étudié. Un cas particulier important est le montage suiveur (avec un gain de 1), qui est un excellent adaptateur d’impédance.

6.3. Le sommateur et le soustracteur (différentiel)

L’ampli-op permet de réaliser des opérations arithmétiques. Le montage sommateur inverseur, qui produit une tension de sortie proportionnelle à la somme des tensions d’entrée, est analysé. Le montage soustracteur, qui amplifie la différence entre deux tensions, est également étudié.

6.4. L’intégrateur et le dérivateur

En remplaçant les résistances par des condensateurs, on peut réaliser des opérations de calcul infinitésimal. L’élève découvrira le montage intégrateur (qui produit en sortie l’intégrale temporelle de l’entrée) et le montage dérivateur, briques de base des calculateurs analogiques et des régulateurs PID.

CHAPITRE 7 : LES FILTRES ACTIFS À BASE D’AMPLI-OP

7.1. Intérêt des filtres actifs

Contrairement aux filtres passifs (RC, LC), les filtres actifs utilisent un composant actif (l’ampli-op) pour réaliser la fonction de filtrage. Leurs avantages sont présentés : possibilité d’obtenir un gain, absence de bobines, et bonne isolation entre les étages.

7.2. Le filtre passe-bas actif

Les schémas des filtres passe-bas actifs du premier et du second ordre sont analysés. L’élève apprendra à calculer leur fréquence de coupure et à comprendre comment l’ampli-op permet de contrôler précisément le gain en bande passante et le facteur d’amortissement.

7.3. Le filtre passe-haut actif

De manière similaire, le filtre passe-haut actif est étudié. Sa capacité à ne laisser passer que les fréquences au-dessus d’une certaine fréquence de coupure est démontrée. Son application pour éliminer des composantes continues ou des parasites basse fréquence est illustrée.

7.4. Le filtre passe-bande actif

Le filtre passe-bande actif est présenté comme une solution pour isoler une plage de fréquences spécifique. Son utilité dans les égaliseurs audio ou les récepteurs de communication est expliquée. La conception de tels filtres est essentielle, par exemple, pour les équipements de transmission de la CVM (Congolese Wireless Network) à travers le pays.

TROISIÈME PARTIE : ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE ET COMMANDE ⚡

Cette partie aborde le domaine de l’électronique qui traite de la conversion et de la commande de l’énergie électrique à des niveaux de puissance élevés. L’élève y découvrira une famille de composants semi-conducteurs spécifiques, les thyristors et les triacs, qui se comportent comme des interrupteurs robustes et efficaces. La maîtrise de leur commande permet de réaliser des circuits essentiels pour l’industrie, comme les variateurs de vitesse pour moteurs ou les gradateurs de lumière.

CHAPITRE 8 : LE THYRISTOR (SCR) ET SON AMORÇAGE

8.1. Définition et constitution du thyristor

Le thyristor, ou redresseur contrôlé au silicium (SCR), est présenté comme un interrupteur unidirectionnel à quatre couches (PNPN) et trois bornes (Anode, Cathode, Gâchette). Sa structure et son symbole sont décrits.

8.2. Le principe de fonctionnement et la caractéristique d’anode

La caractéristique courant-tension du thyristor est analysée. L’élève comprendra son comportement bistable : à l’état bloqué, il ne conduit pas, même avec une tension positive. Une impulsion sur la gâchette le fait basculer à l’état passant, où il se comporte comme une diode.

8.3. Les processus d’amorçage

L’amorçage (le passage à l’état passant) est étudié en détail. La commande par la gâchette est la méthode normale. La caractéristique de gâchette, qui définit les conditions de courant et de tension pour un amorçage fiable, est présentée.

8.4. Le processus de blocage

Une fois amorcé, le thyristor reste passant même si la commande de gâchette disparaît. L’élève apprendra que le seul moyen de le bloquer est de réduire le courant d’anode en dessous d’un seuil appelé « courant de maintien », ce qui se produit naturellement en régime alternatif.

CHAPITRE 9 : APPLICATIONS DU THYRISTOR EN COMMANDE DE PUISSANCE

9.1. Le redresseur commandé

En remplaçant les diodes d’un pont redresseur par des thyristors, on obtient un redresseur commandé. L’élève analysera comment le réglage de l’instant d’amorçage des thyristors par rapport au passage à zéro de la tension alternative permet de faire varier la valeur moyenne de la tension de sortie.

9.2. Le contacteur statique (relais statique)

Le thyristor peut être utilisé comme un interrupteur sans pièce mobile, appelé contacteur statique. Ses avantages par rapport à un relais électromécanique (vitesse de commutation très élevée, absence d’usure) sont mis en avant.

9.3. Le hacheur (chopper)

Le hacheur est un convertisseur continu-continu qui utilise un thyristor (avec un circuit de blocage forcé) pour « hacher » une tension continue fixe et en faire varier la valeur moyenne. Son application pour la variation de vitesse des moteurs à courant continu, comme ceux des locomotives de la SNCC, est expliquée.

9.4. L’onduleur

L’onduleur est un convertisseur continu-alternatif. Le principe de l’onduleur autonome, qui génère une tension alternative à partir d’une source continue (batterie), est expliqué. Son rôle dans les systèmes d’alimentation sans interruption (ASI) et les systèmes solaires est fondamental.

CHAPITRE 10 : LE TRIAC ET LA GRADATION DE PUISSANCE ALTERNATIVE

10.1. Constitution et principe du TRIAC

Le TRIAC est présenté comme un interrupteur bidirectionnel, équivalent à deux thyristors montés en tête-bêche. Sa structure à cinq couches et son symbole sont décrits. Il possède trois bornes : deux anodes (A1, A2) et une gâchette (G).

10.2. Caractéristiques et modes d’amorçage

La caractéristique courant-tension symétrique du TRIAC est analysée. L’élève découvrira qu’il peut être amorcé dans les deux sens de conduction, par une impulsion de gâchette positive ou négative, ce qui lui confère quatre quadrants de fonctionnement.

10.3. Le DIAC

Le DIAC est un interrupteur bidirectionnel à deux bornes, qui s’amorce lorsqu’une tension de seuil est dépassée. Il est principalement utilisé comme circuit de déclenchement pour les TRIACs, afin de fournir une impulsion d’amorçage nette.

10.4. Le gradateur de lumière à commande de phase

L’application la plus courante du TRIAC est le gradateur (« dimmer »). L’élève étudiera le schéma de ce circuit, où un réseau RC déphase la tension par rapport au secteur, et un DIAC déclenche le TRIAC à un instant réglable de chaque alternance, permettant de faire varier la puissance fournie à une charge (lampe, moteur).

Annexes

1. Mémento des Montages à Ampli-Op

Cette section fournirait une bibliothèque de schémas de principe pour tous les montages fondamentaux à ampli-op étudiés (inverseur, non-inverseur, suiveur, sommateur, différentiel, intégrateur, comparateur), avec pour chacun la formule de sa fonction de transfert.

2. Guide de Choix d’un Amplificateur Opérationnel

Un guide pratique aiderait l’élève à sélectionner un ampli-op dans un catalogue de fabricant. Il expliquerait la signification des paramètres clés (produit gain-bande, slew rate, tension d’offset, courants de polarisation) et comment les choisir en fonction de l’application (audio, mesure, haute fréquence).

3. Tableau Comparatif des Composants de l’Électronique de Puissance

Un tableau synthétique comparerait les caractéristiques et les domaines d’application des principaux composants de puissance : la diode de puissance, le transistor bipolaire de puissance, le MOSFET de puissance, le thyristor et le TRIAC.

4. Schémas de Circuits de Commande de Gâchette

Une collection de schémas pratiques pour les circuits de commande de gâchette des thyristors et des TRIACs serait présentée. Elle inclurait des montages simples à base de transistors (UJT), de DIACs, et des circuits de commande synchronisés sur le secteur pour les redresseurs commandés.