DESSIN ÉLECTRONIQUE

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 parachever la formation de l’élève en dessin électronique, en le guidant vers la conception et la documentation de systèmes électroniques complets et complexes. Le cours est axé sur la mise en œuvre schématique des grandes fonctions de l’électronique analogique, numérique et de puissance, en utilisant aussi bien des composants discrets que des circuits intégrés. La finalité est de former un technicien supérieur capable de créer, d’analyser et de documenter des projets électroniques en utilisant les standards et les outils de l’industrie, incluant une initiation à la conception assistée par ordinateur.

2. Compétences Visées

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

• Élaborer le dossier technique complet de générateurs de signaux non sinusoïdaux, en calculant et en justifiant la valeur de chaque composant.
• Concevoir et dessiner des schémas de circuits logiques séquentiels, tels que des compteurs et des décompteurs, en utilisant des circuits intégrés.
• Mettre en œuvre schématiquement l’amplificateur opérationnel pour réaliser des fonctions de génération de signaux.
• Dessiner des circuits d’application pour les semi-conducteurs de puissance, comme les gradateurs à TRIAC ou les redresseurs commandés à thyristors.
• Utiliser un logiciel de CAO pour dessiner un schéma et concevoir le circuit imprimé correspondant.

3. Approche Pédagogique

La démarche pédagogique est résolument orientée vers la conception et le projet. Chaque chapitre propose de relever un défi de conception schématique pour une fonction électronique spécifique. L’apprentissage se fait par la synthèse des connaissances théoriques et leur application à la création de documents techniques exploitables. L’accent est mis sur la justification des choix de conception et le respect des normes de représentation. Des projets intégrateurs, comme la conception du dossier complet d’une petite alimentation de laboratoire à découpage ou d’un système de commande numérique simple pour un automatisme à Goma, permettent de fédérer l’ensemble des compétences acquises.

 

 

PREMIÈRE PARTIE : CONCEPTION DE SCHÉMAS DE GÉNÉRATEURS DE SIGNAUX 🎼

Cette partie se consacre à la conception et à la schématisation des circuits capables de générer des formes d’ondes non sinusoïdales. Ces signaux (carrés, rectangulaires, triangulaires, en dents de scie) sont le fondement des horloges pour les systèmes numériques, des bases de temps pour les instruments de mesure et des signaux de commande pour l’électronique de puissance. L’élève apprendra à dessiner ces générateurs en utilisant aussi bien des transistors discrets que des circuits intégrés comme l’amplificateur opérationnel.

CHAPITRE 1 : SCHÉMATISATION DES MULTIVIBRATEURS À TRANSISTORS

1.1. Le multivibrateur astable : le clignotant

Le schéma du multivibrateur astable à deux transistors est analysé comme un générateur autonome de signaux carrés. L’élève s’exercera à dessiner le circuit, à en expliquer le fonctionnement par basculements successifs, et à dimensionner les résistances et condensateurs pour obtenir une fréquence et un rapport cyclique donnés.

1.2. Le multivibrateur monostable : la temporisation

Le schéma du monostable à transistors est étudié pour sa fonction de temporisateur. L’élève apprendra à dessiner ce circuit et à déterminer les valeurs des composants qui fixent la durée de l’impulsion de sortie, une fonction essentielle pour des applications comme les minuteries d’éclairage dans un bâtiment administratif à Kinshasa.

1.3. Le multivibrateur bistable (bascule) : la mémoire

Le schéma de la bascule (flip-flop) à deux transistors est présenté comme la cellule de mémorisation élémentaire de l’électronique. L’élève analysera sa structure symétrique et comprendra comment les deux états stables permettent de stocker un bit d’information.

1.4. Applications des multivibrateurs à transistors

Ce sous-chapitre propose des exercices de conception concrets. L’élève devra réaliser les schémas d’application des multivibrateurs : diviseurs de fréquence, systèmes d’alarme simples, ou encore circuits de clignotants pour la signalisation routière.

CHAPITRE 2 : SCHÉMATISATION DES GÉNÉRATEURS DE RAMPES ET SIGNAUX TRIANGULAIRES

2.1. Le générateur de rampe à source de courant

La génération d’une tension linéairement croissante est étudiée. Le schéma d’un intégrateur utilisant un transistor en source de courant constant pour charger un condensateur est dessiné. L’élève apprendra à calculer la pente de la rampe en fonction du courant de charge et de la capacité.

2.2. Le générateur de rampe à UJT

Le transistor unijonction (UJT) est présenté comme un composant de déclenchement idéal pour les oscillateurs à relaxation. Le schéma d’un générateur en dents de scie utilisant un UJT pour décharger périodiquement le condensateur est analysé.

2.3. Le générateur de signaux triangulaires

Pour générer un signal triangulaire symétrique, il faut charger et décharger un condensateur avec des courants constants et de sens opposés. Le schéma d’un tel générateur, qui associe un intégrateur et un comparateur à hystérésis (trigger de Schmitt), est expliqué.

2.4. Détermination des éléments de montage

Pour chaque type de générateur, l’élève réalisera des exercices de dimensionnement. En partant de spécifications (fréquence, amplitude), il devra calculer les valeurs de tous les composants et les reporter sur un schéma technique complet et annoté.

CHAPITRE 3 : SCHÉMATISATION DES GÉNÉRATEURS DE SIGNAUX À AMPLIFICATEURS OPÉRATIONNELS

3.1. L’oscillateur à relaxation à ampli-op

Le schéma d’un générateur de signaux carrés utilisant un seul amplificateur opérationnel monté en comparateur à hystérésis est étudié. L’élève analysera le mécanisme d’oscillation basé sur la charge et la décharge d’un condensateur et calculera la fréquence du signal de sortie.

3.2. Le générateur de fonctions (carré/triangulaire) à ampli-op

En associant l’oscillateur à relaxation (qui génère le signal carré) à un montage intégrateur, on obtient un générateur de fonctions complet. L’élève dessinera le schéma de cet ensemble et comprendra la relation de cause à effet entre les deux étages.

3.3. Applications des générateurs à ampli-op

Les avantages de l’utilisation des ampli-ops (précision, simplicité de calcul, modularité) sont soulignés. Leurs applications dans les instruments de mesure (générateurs de fonctions de laboratoire) et les systèmes de commande (génération de signaux PWM) sont illustrées.

3.4. Réalisation du dossier technique

En exercice de synthèse, l’élève concevra le dossier technique d’un générateur de fonctions simple, incluant le schéma de principe détaillé, le calcul justifié de tous les composants, le tracé des oscillogrammes attendus aux points clés et la nomenclature.

CHAPITRE 4 : LE DOSSIER TECHNIQUE D’UN GÉNÉRATEUR DE FONCTIONS

4.1. Le cahier des charges fonctionnel

Ce sous-chapitre (enrichissement) insiste sur la première étape de toute conception : l’établissement d’un cahier des charges précis. Pour un générateur, cela inclut les formes d’ondes désirées, les gammes de fréquence, les niveaux de sortie, et l’impédance de sortie.

4.2. Le schéma synoptique et le choix de l’architecture

À partir du cahier des charges, l’élève apprendra à dessiner un schéma synoptique (blocs fonctionnels) de son générateur. Il justifiera le choix de l’architecture (par exemple, oscillateur à base d’ampli-op suivi d’étages de mise en forme).

4.3. Le schéma de principe détaillé et la nomenclature

Le schéma détaillé est la pièce maîtresse du dossier. L’élève le réalisera en respectant toutes les normes de représentation et le complètera par une nomenclature précise, permettant l’approvisionnement des composants.

4.4. Le dossier d’implantation et de câblage

Pour que le projet soit réalisable, un plan d’implantation des composants sur un circuit imprimé ou une platine de prototypage est dessiné. Ce document est essentiel pour guider la phase de montage et de test de l’appareil.

 

 

DEUXIÈME PARTIE : DESSIN ET ANALYSE DE CIRCUITS LOGIQUES ET NUMÉRIQUES 🔢

Cette partie marque le passage du monde analogique au monde numérique. Elle est consacrée à la représentation schématique des circuits qui manipulent des informations binaires (0 et 1). L’élève apprendra à utiliser les circuits intégrés logiques comme des « briques » pour construire des fonctions séquentielles complexes, telles que le comptage d’événements ou le stockage temporaire de données, qui sont au cœur de tous les systèmes informatiques et de communication modernes.

CHAPITRE 5 : SCHÉMATISATION DES MULTIVIBRATEURS À CIRCUITS INTÉGRÉS

5.1. L’astable à portes logiques

Le schéma d’un multivibrateur astable réalisé avec des portes logiques CMOS (par exemple, deux inverseurs) et un réseau RC est analysé. L’élève apprendra à dessiner ce montage très simple et à calculer sa fréquence d’oscillation.

5.2. L’astable et le monostable avec le NE555

Le circuit intégré NE555 est présenté comme un composant universel pour les applications de temporisation. L’élève étudiera les schémas de câblage standards du 555 en mode astable et monostable et apprendra à utiliser les formules de dimensionnement fournies par le constructeur.

5.3. Le trigger de Schmitt

Le trigger de Schmitt (comparateur à hystérésis), disponible en circuit intégré (série 74xx14), est étudié pour sa capacité à « nettoyer » des signaux bruités et à les transformer en signaux logiques francs. Son symbole spécifique et ses applications sont présentés.

5.4. Utilisation des circuits intégrés dans la génération de signaux

Ce sous-chapitre synthétise les avantages de l’utilisation des circuits intégrés (précision, stabilité, faible nombre de composants externes) et propose des exercices de conception de schémas pour des applications comme des générateurs d’horloge pour systèmes numériques ou des minuteries de précision.

CHAPITRE 6 : CONCEPTION DE SCHÉMAS DE COMPTEURS NUMÉRIQUES

6.1. Le compteur binaire asynchrone (« ripple counter »)

Le schéma d’un compteur asynchrone est réalisé en cascadant des bascules JK. L’élève analysera son fonctionnement, où la sortie de chaque bascule sert d’horloge à la suivante, et comprendra ses limitations en termes de vitesse.

6.2. Le compteur binaire synchrone

Dans un compteur synchrone, toutes les bascules sont commandées par le même signal d’horloge. Le schéma d’un compteur synchrone 4 bits est dessiné, en mettant en évidence le réseau logique combinatoire qui conditionne le basculement de chaque étage.

6.3. Les circuits intégrés compteurs (série 74xx)

L’utilisation de compteurs intégrés (comme le 74HC93 ou le 74HC161) est présentée comme la méthode standard de conception. L’élève apprendra à lire leur fiche technique, à identifier leurs broches (entrées d’horloge, sorties, reset, etc.) et à les câbler pour réaliser des fonctions de comptage.

6.4. Décompteurs et compteurs programmables

L’élève apprendra à modifier le câblage d’un compteur pour en faire un décompteur. Le principe des compteurs programmables, dont on peut charger une valeur initiale, est également introduit, ouvrant la voie à des applications plus complexes comme la gestion des stocks dans un entrepôt automatisé à Matadi.

CHAPITRE 7 : CONCEPTION DE SCHÉMAS DE REGISTRES ET DE MÉMOIRES SIMPLES

7.1. Le registre à décalage

Le registre à décalage, réalisé en cascadant des bascules D, est un circuit fondamental pour la manipulation de données en série. L’élève dessinera un registre 4 bits et analysera son fonctionnement pour les conversions série-parallèle et parallèle-série.

7.2. Le registre de mémorisation (« latch »)

Le registre de mémorisation, ou « latch », est un circuit qui permet de stocker un mot binaire (par exemple, 8 bits) sur commande. Son utilisation pour mémoriser l’état d’un bus de données dans un système à microprocesseur est expliquée.

7.3. Les circuits intégrés registres

L’élève étudiera des circuits intégrés standards comme le 74HC595 (registre à décalage série-parallèle) ou le 74HC373 (latch octal), et apprendra à les utiliser pour piloter des afficheurs ou étendre les sorties d’un microcontrôleur.

7.4. Schéma d’une mémoire RAM statique simple

Pour aller plus loin, le schéma de l’organisation interne d’une petite mémoire RAM est présenté. L’élève identifiera la matrice de cellules mémoire, les décodeurs d’adresse et les circuits de lecture/écriture, lui donnant un premier aperçu de l’architecture des composants mémoire.

CHAPITRE 8 : SCHÉMATISATION D’UN SYSTÈME D’ACQUISITION DE DONNÉES (CAN/CNA)

8.1. Le convertisseur numérique-analogique (CNA) à réseau R-2R

Le schéma du CNA à réseau d’échelles R-2R, le plus répandu, est analysé. L’élève comprendra comment ce circuit, souvent associé à un ampli-op, convertit un mot binaire en une tension de sortie proportionnelle.

8.2. Le convertisseur analogique-numérique (CAN) « flash »

Le CAN « flash », le plus rapide, est présenté. Son schéma, basé sur un réseau de comparateurs et un encodeur de priorité, est dessiné pour illustrer le principe de la conversion parallèle.

8.3. Le CAN à approximations successives

Le schéma bloc du CAN à approximations successives, qui constitue le meilleur compromis vitesse/résolution, est étudié. L’élève suivra l’algorithme de recherche dichotomique qui permet de déterminer les bits les uns après les autres.

8.4. Schéma d’une chaîne d’acquisition de données

En synthèse, le schéma bloc d’une chaîne de mesure complète est dessiné. Il intègre le capteur, le conditionneur de signal (amplification, filtrage), le convertisseur analogique-numérique, et l’interface avec un système de traitement, illustrant une application concrète pour la surveillance environnementale près du Parc National des Virunga.

 

 

TROISIÈME PARTIE : SCHÉMAS D’APPLICATION DE L’ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE 💡

Cette partie est consacrée à la schématisation des circuits qui utilisent des semi-conducteurs spéciaux pour commander des charges de forte puissance. Après avoir étudié ces composants en théorie, l’élève apprend ici à les intégrer dans des schémas d’application complets et fonctionnels. La conception des circuits de commande de gâchette et des circuits de puissance est abordée pour réaliser des fonctions de variation de vitesse ou de gradation de lumière, omniprésentes dans l’industrie et le résidentiel.

CHAPITRE 9 : SCHÉMATISATION DES CIRCUITS DE COMMANDE À THYRISTORS

9.1. Le redresseur commandé monophasé

L’élève dessinera le schéma d’un pont redresseur tout thyristors (ou mixte, avec des diodes). Il apprendra à représenter le circuit de puissance et le circuit de commande de gâchette, qui doit être synchronisé avec le secteur pour permettre le réglage de l’angle d’amorçage.

9.2. Le variateur de vitesse pour moteur universel

Un schéma d’application classique du redresseur commandé est le variateur de vitesse pour moteur universel (perceuse, électroménager). L’élève dessinera ce circuit et comprendra comment la variation de la tension redressée moyenne permet de contrôler la vitesse du moteur.

9.3. Le contacteur statique

Le schéma d’un contacteur statique AC utilisant deux thyristors montés en tête-bêche est étudié. L’élève apprendra à dessiner le circuit de commande opto-isolé qui assure la sécurité entre la commande basse tension et le circuit de puissance 230V.

9.4. Détermination des éléments de protection

Les circuits de puissance nécessitent des protections. L’élève apprendra à ajouter au schéma les composants indispensables : les fusibles ultra-rapides pour protéger les semi-conducteurs, et les réseaux « snubber » (RC) pour les protéger contre les surtensions de commutation.

CHAPITRE 10 : SCHÉMATISATION DES CIRCUITS DE GRADATION À TRIACS

10.1. Le gradateur de lumière simple

Le schéma de base d’un gradateur à commande de phase est dessiné et analysé. L’élève identifiera le réseau RC qui crée le déphasage, le DIAC qui sert d’élément de déclenchement, et le TRIAC qui hache la sinusoïde du secteur pour faire varier la puissance de l’ampoule.

10.2. Calcul des éléments du gradateur

L’élève s’exercera à dimensionner les composants du circuit de commande. Il calculera la plage de variation de l’angle d’amorçage en fonction des valeurs du potentiomètre et du condensateur.

10.3. Le variateur pour petites charges inductives

La commande de charges inductives (comme un petit ventilateur) avec un gradateur pose des problèmes spécifiques. La nécessité d’ajouter un réseau « snubber » aux bornes du TRIAC pour assurer son blocage correct est expliquée et schématisée.

10.4. Applications des gradateurs

Ce sous-chapitre illustre la polyvalence de ce circuit. Ses applications pour la variation de l’intensité lumineuse, le réglage de la température d’un fer à souder ou la variation de vitesse de petits moteurs sont présentées, par exemple pour la ventilation dans les élevages de la périphérie de Kananga.

CHAPITRE 11 : DOSSIER TECHNIQUE D’UN VARIATEUR DE PUISSANCE

11.1. Cahier des charges et choix de la technologie

Face à un besoin de variation de puissance, l’élève apprendra à établir un cahier des charges (type de charge, plage de variation, type de commande) et à justifier le choix de la technologie (par exemple, gradateur à TRIAC pour une charge AC, hacheur pour une charge DC).

11.2. Schéma de principe du circuit de puissance

Le schéma du circuit de puissance est dessiné, en sélectionnant le semi-conducteur (thyristor, TRIAC, MOSFET de puissance) adapté en courant et en tension, et en incluant les organes de protection (fusibles, varistances, snubbers).

11.3. Schéma de principe du circuit de commande

Le schéma du circuit de commande est conçu. Il peut s’agir d’un simple réseau RC ou d’un circuit plus élaboré à base de circuits intégrés (comme un UJT ou un 555) pour une commande plus précise de l’angle d’amorçage.

11.4. Dossier d’implantation et de sécurité

La réalisation de circuits de puissance exige des précautions. L’élève dessinera un plan d’implantation en respectant les distances d’isolement, en prévoyant le montage du semi-conducteur sur un dissipateur thermique, et en assurant la séparation physique entre les circuits de commande et de puissance.

Annexes

1. Mémento des Brochages de Circuits Intégrés Courants

Cette section fournirait une synthèse visuelle des brochages pour une sélection de circuits intégrés emblématiques et très utilisés en travaux pratiques, tels que l’amplificateur opérationnel 741, le temporisateur 555, le régulateur 7805, les compteurs (74HC161) et les portes logiques de base de la série 74HC.

2. Guide sur la Conception de Circuits Imprimés (PCB)

Un guide pratique rappellerait les règles de base du dessin de circuits imprimés. Il aborderait la largeur des pistes en fonction du courant, les règles d’isolement pour les hautes tensions, la création de plans de masse, et les techniques de placement des composants pour minimiser les parasites.

3. Catalogue de Schémas d’Application

Une collection de schémas d’application complets et commentés serait proposée. Elle inclurait des exemples variés comme une alimentation de laboratoire, un petit amplificateur audio, un chenillard à LEDs, un variateur de vitesse, servant de source d’inspiration et d’étude pour l’élève.

4. Introduction à la Simulation de Circuits Mixtes (Analogique/Numérique)

Ce complément (enrichissement) guiderait l’élève dans l’utilisation d’un simulateur (comme LTspice) pour vérifier le fonctionnement de circuits qui mélangent des composants analogiques et numériques, comme une commande PWM ou un système piloté par des portes logiques.