DESSIN ÉLECTRONIQUE

3ÈME ANNÉE – OPTION ÉLECTRONIQUE

Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC

Préliminaires

1. Objectifs Généraux du Cours

Ce manuel a pour finalité d’amener l’élève à une maîtrise complète du dessin de circuits électroniques analogiques complexes. En capitalisant sur la connaissance des composants et des fonctions de base, ce cours se concentre sur la constitution de dossiers techniques complets pour des systèmes fonctionnels : amplificateurs, oscillateurs et alimentations de précision. L’objectif est de développer une vision d’architecte, capable de traduire un cahier des charges en un ensemble de schémas clairs, documentés et prêts pour la réalisation, tout en acquérant les compétences nécessaires à l’analyse de schémas existants.

2. Compétences Visées

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

• Élaborer le dossier technique complet d’un amplificateur audio, incluant le schéma de principe, le calcul des composants et la nomenclature.
• Tracer et interpréter les droites de charge statique et dynamique pour analyser le comportement d’un étage de puissance.
• Dessiner les schémas des principaux types d’oscillateurs et calculer les éléments déterminant leur fréquence.
• Concevoir et schématiser une alimentation stabilisée complète, en y intégrant les circuits de protection.
• Analyser un schéma de récepteur radio complexe en identifiant ses différents blocs fonctionnels.

3. Approche Pédagogique

La démarche pédagogique est fortement orientée projet. Chaque grande partie du cours est structurée autour de la conception schématique d’un système électronique complet. L’apprentissage se fait par l’intégration progressive des différentes fonctions étudiées en théorie. La lecture et l’analyse critique de schémas industriels réels occupent une place centrale, afin d’habituer l’élève aux standards professionnels. Des études de cas, comme la conception du schéma d’un petit émetteur FM pour une radio scolaire à Kikwit ou l’analyse du circuit d’alimentation d’un équipement de laboratoire pour l’Université de Lubumbashi, servent à contextualiser les compétences et à démontrer leur application concrète.

PREMIÈRE PARTIE : MÉTHODOLOGIE DU DESSIN D’AMPLIFICATION AUDIOFRÉQUENCE (BF) 🎵

Cette partie est dédiée à la représentation graphique de la chaîne complète d’amplification audio. L’élève apprendra à concevoir et à documenter les deux maillons essentiels de cette chaîne : le préamplificateur, qui prépare le signal de faible amplitude, et l’amplificateur de puissance, qui lui donne l’énergie nécessaire pour piloter une charge comme un haut-parleur. L’accent est mis sur la constitution de dossiers techniques rigoureux, alliant le dessin de schémas à l’analyse graphique du fonctionnement.

CHAPITRE 1 : DOSSIER TECHNIQUE D’UN PRÉAMPLIFICATEUR DE TENSION

1.1. Le schéma de principe détaillé

Ce sous-chapitre se concentre sur le dessin complet et normé d’un préamplificateur à transistors. L’élève apprendra à structurer le schéma, à repérer chaque composant, à annoter les points de test importants et à inclure les circuits annexes comme les correcteurs de tonalité (graves/aigus).

1.2. Le plan d’implantation des composants

Passer du schéma théorique à la réalisation pratique exige un plan d’implantation. L’élève s’exercera à dessiner la disposition physique des composants sur une plaque de prototypage ou un circuit imprimé, en optimisant le placement pour minimiser les interférences et faciliter le câblage.

1.3. Le calcul et la détermination des éléments

Un schéma n’est complet que si ses composants sont valorisés. Ce sous-chapitre guide l’élève dans le calcul des résistances de polarisation et le choix des condensateurs de liaison et de découplage pour obtenir les performances (gain, bande passante) souhaitées, en s’appuyant sur les formules vues en théorie.

1.4. L’établissement de la nomenclature

La nomenclature (Bill of Materials – BOM) est la liste exhaustive de tous les composants du préamplificateur. L’élève apprendra à la rédiger de manière professionnelle, en précisant pour chaque ligne le repère, la valeur, la tolérance, la puissance ou la tension de service, et le type de boîtier.

CHAPITRE 2 : REPRÉSENTATION GRAPHIQUE DES DROITES DE CHARGE

2.1. Rappel sur le réseau de caractéristiques

Ce sous-chapitre rappelle l’importance du réseau de caractéristiques de sortie du transistor () comme toile de fond sur laquelle s’effectue toute l’analyse graphique du fonctionnement de l’amplificateur.

2.2. Traçage de la droite de charge statique (DC)

L’élève apprendra la méthode graphique précise pour tracer la droite de charge statique sur le réseau de caractéristiques, en déterminant ses deux points d’intersection avec les axes (points de blocage et de saturation) à partir des valeurs des résistances du circuit de polarisation.

2.3. Traçage de la droite de charge dynamique (AC)

La droite de charge dynamique, qui décrit le comportement du transistor en présence d’un signal, a une pente différente de la statique. L’élève apprendra à la tracer en passant par le point de repos et en utilisant la résistance de charge équivalente en régime alternatif.

2.4. Visualisation de l’excursion du signal et de la distorsion

L’analyse graphique prend tout son sens avec la visualisation du « trajet » du point de fonctionnement le long de la droite de charge dynamique. L’élève apprendra à représenter l’excursion du signal de sortie et à identifier graphiquement l’apparition de la distorsion par écrêtage.

CHAPITRE 3 : SCHÉMATISATION DES AMPLIFICATEURS DE PUISSANCE CLASSE A

3.1. Schéma de principe d’un étage de puissance Classe A

Le schéma typique d’un amplificateur de puissance mono-étage en classe A est dessiné et analysé. L’accent est mis sur le choix de transistors de puissance capables de dissiper une chaleur importante et sur la nécessité d’un dimensionnement adéquat de la charge de collecteur.

3.2. Analyse graphique du fonctionnement

L’élève appliquera la méthode des droites de charge pour analyser un amplificateur de puissance Classe A. Il déterminera graphiquement la puissance de sortie maximale, la puissance dissipée par le transistor et le rendement du montage, confirmant ainsi les limitations de cette classe.

3.3. Schéma avec charge couplée par transformateur

Pour améliorer le rendement, le couplage de la charge (haut-parleur) via un transformateur d’adaptation d’impédance est une solution classique. Le schéma de cette configuration est dessiné, en mettant en évidence le rôle et les spécificités du transformateur de sortie.

3.4. Dossier technique d’un amplificateur Classe A

En exercice de synthèse, l’élève constituera le dossier technique complet d’un petit amplificateur de puissance Classe A, incluant le schéma de principe annoté, les calculs de dimensionnement, l’analyse graphique et la nomenclature des composants.

CHAPITRE 4 : SCHÉMATISATION DES AMPLIFICATEURS DE PUISSANCE PUSH-PULL

4.1. Schéma de l’étage de sortie Push-Pull complémentaire

Le schéma de l’étage de puissance en classe AB à transistors complémentaires (NPN et PNP), qui est la topologie la plus répandue en audio, est étudié en détail. Le rôle crucial des diodes de polarisation pour éliminer la distorsion de croisement est mis en évidence graphiquement.

4.2. Schéma de l’étage déphaseur (« driver »)

Un étage push-pull nécessite des signaux de commande spécifiques. L’élève apprendra à dessiner les schémas des étages « drivers » ou déphaseurs, dont le rôle est de fournir les deux signaux en opposition de phase nécessaires pour piloter les deux transistors de puissance.

4.3. Le dossier technique complet de l’amplificateur de puissance

L’élève réalisera le schéma de principe complet d’un amplificateur de puissance, en assemblant l’étage d’entrée, l’étage déphaseur et l’étage de sortie push-pull. Le positionnement des différents réglages (courant de repos) sera indiqué.

4.4. Plan d’implantation et considérations thermiques

La disposition des composants d’un amplificateur de puissance est critique. L’élève dessinera un plan d’implantation en tenant compte des contraintes thermiques (montage des transistors de puissance sur un dissipateur commun) et des contraintes de câblage (séparation des pistes de signal et de puissance), un savoir-faire essentiel pour la construction d’un amplificateur pour un centre culturel à Kananga.

DEUXIÈME PARTIE : REPRÉSENTATION DES SIGNAUX ET DES CIRCUITS D’OSCILLATION 🔄

Cette partie est consacrée à la représentation des signaux dans le temps et à la conception schématique des circuits qui les génèrent : les oscillateurs. L’élève apprendra d’abord à interpréter les visualisations fournies par l’oscilloscope, l’œil de l’électronicien. Ensuite, il mettra cette compétence au service du dessin et de l’analyse des différents types d’oscillateurs, ces circuits autonomes qui sont à l’origine de tous les signaux d’horloge et de toutes les porteuses de fréquence en électronique.

CHAPITRE 5 : L’OSCILLOSCOPE ET LA REPRÉSENTATION TEMPORELLE DES SIGNAUX

5.1. Le principe de l’oscilloscope analogique

Le fonctionnement de l’oscilloscope est expliqué à l’aide d’un schéma synoptique. L’élève comprendra le rôle des amplificateurs de déviation verticale, de la base de temps qui génère le balayage horizontal, et du tube cathodique qui affiche la trace du signal.

5.2. Schématisation d’un relevé d’oscillogramme

Une compétence clé est de savoir représenter proprement un signal tel qu’il apparaîtrait sur l’écran d’un oscilloscope. L’élève s’exercera à dessiner des oscillogrammes sur un papier quadrillé, en indiquant clairement les échelles (sensibilité verticale en V/div et base de temps en s/div).

5.3. Mesure de grandeurs à partir d’un croquis

À partir d’un oscillogramme schématisé, l’élève apprendra à effectuer des mesures. Il calculera l’amplitude crête, la valeur crête-à-crête, la période et la fréquence du signal en se basant sur les échelles graphiques.

5.4. Représentation du déphasage

L’oscilloscope permet de visualiser le déphasage entre deux signaux. L’élève apprendra à dessiner deux signaux déphasés sur un même graphique et à mesurer le décalage temporel entre eux pour en calculer l’angle de déphasage.

CHAPITRE 6 : SCHÉMATISATION DES OSCILLATEURS BASSE FRÉQUENCE (RC)

6.1. Le schéma de l’oscillateur à réseau déphaseur

Le schéma de principe d’un oscillateur RC utilisant un amplificateur à transistor et un réseau déphaseur à trois cellules RC est dessiné et analysé. L’élève calculera les composants du réseau pour obtenir une fréquence d’oscillation donnée.

6.2. Le schéma de l’oscillateur à pont de Wien

L’oscillateur à pont de Wien, souvent réalisé avec un amplificateur opérationnel, est schématisé. L’élève identifiera le réseau sélectif (le pont de Wien) qui fixe la fréquence, et le circuit de contrôle de gain qui stabilise l’amplitude des oscillations.

6.3. Applications des oscillateurs BF

Ce sous-chapitre illustre les applications des oscillateurs RC. Ils sont utilisés comme générateurs de signaux de test dans les équipements de laboratoire, comme sources pour les instruments de musique électroniques, ou dans les systèmes de télémétrie, par exemple pour la surveillance des infrastructures de la SNEL à Inga.

6.4. Calcul et détermination des éléments

Pour chaque type d’oscillateur, l’élève réalisera des exercices de conception. En partant d’une fréquence d’oscillation souhaitée, il devra calculer les valeurs des résistances et des condensateurs du réseau de réaction et les reporter sur un schéma de principe complet.

CHAPITRE 7 : SCHÉMATISATION DES OSCILLATEURS HAUTE FRÉQUENCE (LC)

7.1. Le schéma de l’oscillateur Colpitts

Le schéma de l’oscillateur Colpitts, reconnaissable à son diviseur de tension capacitif dans le circuit résonant LC, est dessiné. Sa configuration est analysée pour des réalisations à base de transistor bipolaire ou à effet de champ.

7.2. Le schéma de l’oscillateur Hartley

L’oscillateur Hartley est schématisé. L’élève apprendra à le distinguer par son diviseur de tension inductif, réalisé soit par une prise sur la bobine, soit par deux bobines distinctes. Son principe de fonctionnement est expliqué.

7.3. Le schéma de l’oscillateur à quartz

Pour une très haute stabilité, un quartz est inséré dans la boucle de l’oscillateur. Le schéma d’un oscillateur Pierce, une configuration très courante, est présenté. L’élève identifiera le quartz et les condensateurs qui permettent d’ajuster finement la fréquence d’oscillation.

7.4. Dossier technique d’un oscillateur HF

En guise de synthèse, l’élève élaborera le dossier technique d’un petit oscillateur haute fréquence (par exemple, pour un mini-émetteur radio). Ce dossier inclura le schéma de principe, le calcul des composants du circuit LC pour la fréquence désirée, et la nomenclature.

TROISIÈME PARTIE : CONCEPTION DES SCHÉMAS D’ALIMENTATION ET DE RÉGULATION ⚡

Cette partie est dédiée à la conception schématique de circuits d’alimentation de haute performance, qui vont au-delà de la simple stabilisation par diode Zener. L’élève apprendra à dessiner et à dimensionner des alimentations stabilisées utilisant des transistors pour une régulation précise et efficace. L’étude des dispositifs de protection et l’introduction aux régulateurs intégrés modernes complètent cette compétence cruciale pour tout électronicien.

CHAPITRE 8 : DOSSIER TECHNIQUE D’UNE ALIMENTATION STABILISÉE À TRANSISTORS

8.1. Schéma de la régulation « série »

Le schéma du régulateur série est étudié. L’élève identifiera ses trois blocs fondamentaux : le transistor « ballast » en série avec la charge, le circuit de détection d’erreur, et la source de tension de référence (souvent une diode Zener).

8.2. Schéma de la régulation « parallèle »

Moins courante mais instructive, la régulation parallèle (ou « shunt ») est schématisée. L’élève analysera son fonctionnement, où un transistor en parallèle avec la charge dérive le courant nécessaire pour maintenir la tension de sortie constante.

8.3. Calcul et dimensionnement des composants

L’élève apprendra la méthodologie pour calculer tous les composants d’un régulateur série : choix du transistor de puissance en fonction du courant et de la puissance à dissiper, calcul des résistances du pont diviseur de sortie, et sélection de la diode Zener de référence.

8.4. Réalisation du dossier technique complet

Un projet de synthèse consistera à réaliser le dossier technique complet d’une alimentation stabilisée et réglable, comme on en trouve dans les laboratoires. Le dossier inclura le schéma de l’ensemble de la chaîne (redressement, filtrage, régulation) et une nomenclature détaillée.

CHAPITRE 9 : SCHÉMAS DES CIRCUITS DE PROTECTION D’ALIMENTATION

9.1. La protection contre les courts-circuits

Un court-circuit en sortie d’une alimentation peut détruire le transistor ballast. L’élève apprendra à dessiner et à analyser le circuit de limitation de courant le plus simple, qui utilise un second transistor pour détecter une augmentation excessive du courant et réduire la commande du transistor principal.

9.2. La limitation de courant à caractéristique de retour (« foldback »)

Pour une protection plus efficace, la limitation de courant de type « foldback » est étudiée. Son schéma, un peu plus complexe, est dessiné, et son avantage (réduire à la fois le courant et la tension en cas de défaut, minimisant la dissipation) est expliqué.

9.3. La protection contre les surtensions

Les circuits de protection contre les surtensions (OVP – Over Voltage Protection) sont introduits. Le schéma d’un circuit « à pied de biche » (crowbar), qui provoque un court-circuit franc via un thyristor pour faire sauter un fusible en cas de surtension, est présenté.

9.4. Intégration des protections dans le schéma principal

L’élève s’exercera à intégrer ces différents schémas de protection au sein du schéma principal de l’alimentation stabilisée, démontrant sa capacité à concevoir un système à la fois performant et robuste, apte à fonctionner de manière fiable dans le contexte d’un réseau électrique parfois instable comme à Mbuji-Mayi.

CHAPITRE 10 : SCHÉMATISATION DES RÉGULATEURS DE TENSION INTÉGRÉS

10.1. Le principe du régulateur intégré

Les régulateurs de tension intégrés (comme les fameux 78xx et 79xx) regroupent dans un seul boîtier tous les éléments d’une alimentation stabilisée et protégée. Leur schéma bloc interne (référence de tension, amplificateur d’erreur, transistor ballast, protections) est présenté.

10.2. Schémas d’application des régulateurs fixes

La grande simplicité d’utilisation de ces composants est mise en évidence. L’élève dessinera les schémas d’application typiques d’un régulateur de la série 78xx (positif) ou 79xx (négatif), en incluant les condensateurs de découplage recommandés par le fabricant.

10.3. Schémas d’application des régulateurs ajustables

Les régulateurs ajustables (comme le LM317) offrent plus de flexibilité. L’élève apprendra à dessiner leur schéma de montage et à calculer les valeurs des deux résistances externes qui permettent de fixer la tension de sortie à la valeur désirée.

10.4. Schéma d’une alimentation double symétrique

Pour alimenter des circuits à amplificateurs opérationnels, une alimentation symétrique (+V, 0, -V) est nécessaire. L’élève concevra le schéma complet d’une telle alimentation en utilisant une paire de régulateurs intégrés (par exemple, un 7812 et un 7912).

Annexes

1. Mémento des Blocs Fonctionnels Électroniques

Cette section fournirait une bibliothèque de schémas de principe pour tous les blocs fonctionnels étudiés durant l’année : préamplificateur, amplificateur de puissance push-pull, oscillateur Colpitts, régulateur série, etc. Ce mémento servirait de référence rapide pour des projets de conception.

2. Guide d’Analyse de Schémas Complexes

Une méthodologie structurée pour l’analyse de schémas de systèmes complets (comme un poste de radio) serait détaillée. Elle insisterait sur l’identification des blocs fonctionnels, le suivi du trajet du signal principal, et l’analyse des boucles de régulation et de réaction.

3. Catalogue de Brochages de Composants Courants

Un catalogue visuel présenterait les brochages (identification des broches) pour une sélection de transistors, de régulateurs intégrés et d’amplificateurs opérationnels parmi les plus courants, une information indispensable pour le câblage et le dépannage.

4. Introduction au Logiciel de Simulation de Circuits

Une brève introduction à un logiciel de simulation gratuit (comme LTspice ou KiCad/Spice) serait proposée. L’élève découvrirait comment dessiner un schéma sur ordinateur et lancer une simulation pour visualiser les tensions et courants, et vérifier ainsi le fonctionnement de son circuit avant de le construire.