ÉLECTRONIQUE, 3ÈME ANNÉE, OPTION ÉLECTRICITÉ
Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC.
PRÉLIMINAIRES
1. Objectifs Généraux du Cours 🎯
Ce cours a pour objectif d’introduire l’élève aux principes fondamentaux de l’électronique, la science qui permet de traiter l’information en contrôlant le mouvement des électrons. L’ambition est de construire une compréhension solide des fonctions électroniques de base : redresser, amplifier, osciller et commuter. L’élève étudiera les composants historiques (tubes à vide) pour en saisir les principes physiques, et maîtrisera surtout leurs équivalents modernes à semi-conducteurs (diodes, transistors), qui sont au cœur de toute la technologie contemporaine. Au terme de ce module, l’apprenant doit être capable d’analyser un circuit simple, de comprendre son rôle (amplificateur, alimentation) et de mettre en œuvre les composants de base.
2. Approche Pédagogique Recommandée 🧑🏫
La pédagogie de ce cours doit impérativement lier la théorie à une pratique intensive en laboratoire. Chaque fonction électronique (ex: amplification) sera étudiée à travers son implémentation historique (tube triode) puis moderne (transistor), en comparant systématiquement leurs caractéristiques et performances. L’utilisation de plaquettes de montage sans soudure (« breadboards ») permettra un prototypage rapide des circuits. L’oscilloscope et le multimètre seront les outils permanents d’investigation. L’enseignant s’appuiera sur des systèmes concrets pour illustrer les concepts, comme l’étude d’un étage d’amplification d’une petite radio assemblée à Kinshasa ou la conception d’une alimentation stabilisée pour un chargeur de téléphone, un besoin omniprésent à travers tout le Congo.
3. Prérequis du Cours 📚
Une maîtrise complète du programme d’Électricité Générale des deux années précédentes est indispensable, en particulier l’analyse des circuits en courant continu et les notions de base du courant alternatif (fréquence, période). Des compétences en lecture de schémas électriques et une aisance en calcul algébrique sont également requises pour analyser les équations de polarisation et de gain des circuits.
PARTIE 1 : DES TUBES À VIDE AUX SEMI-CONDUCTEURS
Cette partie établit le pont entre la physique fondamentale de l’électron et les composants électroniques de base. Elle explore d’abord le principe historique de l’émission d’électrons dans le vide, qui a donné naissance aux premiers composants, avant d’introduire la technologie des semi-conducteurs qui a révolutionné le domaine. La fonction de redressement est étudiée à travers ces deux technologies.
Chapitre 1 : Émission Électronique et Diodes à Vide
1.1. Les Différents Types d’Émission Électronique
Le cours débute par l’étude des mécanismes permettant d’extraire des électrons d’un matériau, principalement l’émission thermoïonique (effet Edison). Le concept de « travail de sortie » est introduit comme l’énergie minimale à fournir pour arracher un électron.
1.2. Technologie des Cathodes Chauffées
Les différentes technologies de cathodes (le filament qui émet les électrons) sont présentées : le tungstène pur, le tungstène thorié et les cathodes à oxydes. Leurs avantages respectifs en termes de température de fonctionnement et d’efficacité d’émission sont comparés.
1.3. La Diode à Vide : Constitution et Fonctionnement
La diode à vide est présentée comme le premier composant électronique actif, constitué d’une cathode et d’une anode (ou plaque) dans une ampoule vidée d’air. Son fonctionnement de « clapet à électrons », ne laissant passer le courant que dans un seul sens (de la plaque vers la cathode), est expliqué.
1.4. Caractéristique et Applications de la Diode à Vide
La courbe caractéristique d’une diode à vide (courant de plaque en fonction de la tension plaque-cathode) est tracée, montrant la zone de charge d’espace et la saturation. Son application historique principale, le redressement du courant alternatif, est introduite.
Chapitre 2 : La Jonction P-N et la Diode à Semi-conducteur
2.1. Le Principe de la Jonction P-N
La technologie moderne des semi-conducteurs est introduite. La jonction P-N est présentée comme l’interface entre un semi-conducteur dopé P et un semi-conducteur dopé N, créant une barrière de potentiel qui s’oppose naturellement au passage du courant.
2.2. Polarisation de la Diode et Effet Redresseur
Le comportement de la diode à semi-conducteur est analysé. En polarisation directe, la barrière est abaissée et le courant passe. En polarisation inverse, la barrière est renforcée et le courant est bloqué. Cet effet de « soupape » unidirectionnelle est identique à celui de la diode à vide.
2.3. Caractéristique et Modèles de la Diode Réelle
La courbe caractéristique de la diode au silicium est étudiée, avec sa tension de seuil d’environ 0,7V. Des modèles simplifiés (diode idéale, diode avec seuil) sont présentés pour faciliter l’analyse des circuits.
2.4. Diodes Spéciales : Zener et LED
Deux types de diodes spéciales sont introduits. La diode Zener est conçue pour fonctionner en polarisation inverse dans sa zone de claquage, afin de réguler la tension. La Diode Électroluminescente (LED) émet de la lumière lorsqu’elle est parcourue par un courant, base de l’éclairage moderne.
Chapitre 3 : Circuits de Redressement et de Filtrage
3.1. Le Redressement Simple Alternance
Le circuit de redressement le plus simple, utilisant une seule diode pour ne conserver que les alternances positives d’un signal, est analysé. Les formes d’ondes en entrée et en sortie sont visualisées et la valeur moyenne de la tension de sortie est calculée.
3.2. Le Redressement Double Alternance
Le montage en pont de Graetz, utilisant quatre diodes, est présenté comme la solution standard pour redresser les deux alternances du signal, offrant un meilleur rendement et une tension de sortie de plus grande qualité.
3.3. Le Filtrage par Condensateur
Pour lisser la tension redressée pulsée, un condensateur de filtrage est ajouté en parallèle de la charge. Son rôle de « réservoir » qui se charge lors des pics de tension et se décharge lentement dans la charge est expliqué. La notion de taux d’ondulation est introduite.
3.4. Le Doubleur de Tension de Latour
Un montage astucieux utilisant deux diodes et deux condensateurs pour obtenir une tension continue de sortie égale au double de la valeur de crête de la tension d’entrée est étudié, illustrant une application combinée du redressement et du stockage d’énergie.
PARTIE 2 : LE PHÉNOMÈNE DE L’AMPLIFICATION
Cette partie est consacrée à la fonction la plus importante de l’électronique : l’amplification, qui consiste à augmenter la puissance d’un signal. Le principe est d’abord étudié avec le tube triode historique, puis avec son successeur universel, le transistor.
Chapitre 4 : Le Tube Triode et ses Caractéristiques
4.1. Constitution et Rôle de la Grille de Commande
La triode est présentée comme une diode à vide à laquelle on a ajouté une troisième électrode, la grille, placée entre la cathode et la plaque. Le rôle de la grille est de contrôler le flux d’électrons par l’application d’une faible tension, sans consommer de courant.
4.2. Les Réseaux de Caractéristiques
Les deux réseaux de courbes qui décrivent le comportement de la triode sont étudiés : le réseau de grille () et le réseau de plaque ().
4.3. Coefficients Dynamiques et Droite de Charge
Les trois coefficients qui caractérisent l’efficacité de la triode sont définis : la pente, la résistance interne et le facteur d’amplification (µ). La droite de charge statique est tracée sur le réseau de plaque pour déterminer le point de fonctionnement du tube.
4.4. Le Principe de l’Amplification par Tube
Le principe de l’amplification est expliqué : une petite variation de la tension de grille provoque une grande variation du courant de plaque, qui, en traversant la résistance de charge, génère une grande variation de la tension de sortie. Le signal est ainsi amplifié.
Chapitre 5 : Le Transistor Bipolaire (BJT)
5.1. Constitution et Principe de Fonctionnement
Le transistor bipolaire (NPN ou PNP) est introduit comme l’équivalent à semi-conducteurs de la triode. Il est expliqué comment un petit courant injecté dans la base contrôle un courant beaucoup plus important circulant entre le collecteur et l’émetteur.
5.2. Caractéristiques et Régimes de Fonctionnement
Les réseaux de caractéristiques d’entrée et de sortie du transistor sont analysés. Les trois régimes de fonctionnement sont définis : bloqué (interrupteur ouvert), saturé (interrupteur fermé) et linéaire (pour l’amplification).
5.3. La Polarisation du Transistor
La nécessité de polariser le transistor, c’est-à-dire d’établir un point de fonctionnement stable dans la zone linéaire, est expliquée. Le montage de polarisation par pont de base est présenté comme la solution la plus robuste pour stabiliser le point de repos, un enjeu clé face aux variations de température rencontrées à l’Équateur.
5.4. Le Transistor en Amplificateur (Schéma Émetteur Commun)
Le montage amplificateur le plus courant, en émetteur commun, est étudié. Le calcul du gain en tension, du gain en courant et des impédances d’entrée et de sortie est abordé, fournissant les outils pour concevoir un étage amplificateur simple.
Chapitre 6 : Les Classes d’Amplification
6.1. Définition des Classes d’Amplification
Les différentes classes (A, B, AB, C) sont définies en fonction de la position du point de repos sur la droite de charge, qui détermine la portion du signal d’entrée pendant laquelle le composant actif conduit le courant.
6.2. L’Amplificateur de Classe A
La classe A est étudiée. Le transistor conduit pendant 100% du cycle du signal. Ce montage offre une excellente linéarité (faible distorsion) mais un rendement faible, le réservant aux applications de préamplification de haute fidélité.
6.3. L’Amplificateur de Classe B et le Montage « Push-Pull »
La classe B, où chaque transistor ne conduit que pendant une alternance, est présentée. Le montage « push-pull » (pousse-tire) utilisant deux transistors complémentaires est expliqué comme la solution pour amplifier les deux alternances et obtenir un bon rendement, au prix d’une distorsion de croisement.
6.4. L’Amplificateur de Classe AB
La classe AB est introduite comme le compromis idéal entre la classe A et la classe B. Une légère polarisation des transistors élimine la distorsion de croisement tout en conservant un bon rendement. C’est la classe la plus utilisée dans les amplificateurs audio de puissance, comme ceux des systèmes de sonorisation à Matadi.
PARTIE 3 : GÉNÉRATION DE SIGNAUX ET OSCILLATEURS
Cette partie explore la capacité des circuits électroniques à générer des signaux périodiques sans source extérieure, une fonction appelée oscillation. Elle est à la base de toutes les horloges de systèmes numériques, des émetteurs radio et de nombreux autres dispositifs.
Chapitre 7 : Principes des Oscillations Électriques
7.1. Le Circuit Oscillant LC (Circuit « Bouchon »)
Le circuit LC parallèle est présenté comme l’oscillateur de base. L’échange d’énergie périodique entre le condensateur (énergie électrique) et la bobine (énergie magnétique) est expliqué, créant une oscillation naturelle à une fréquence propre.
7.2. Les Oscillations Amorties
Dans un circuit LC réel, la présence de résistance provoque une dissipation d’énergie par effet Joule, entraînant un amortissement et une extinction progressive des oscillations.
7.3. La Condition d’Entretien des Oscillations
Pour obtenir des oscillations entretenues, un circuit amplificateur doit être couplé au circuit LC. La condition de Barkhausen est énoncée : le gain de la boucle doit être égal à 1, et le déphasage total de la boucle doit être un multiple de 360°. L’amplificateur doit compenser exactement les pertes du circuit oscillant.
7.4. Stabilité en Fréquence et en Amplitude
Les facteurs qui influencent la stabilité d’un oscillateur sont discutés. La qualité du circuit résonant (facteur Q) détermine la stabilité en fréquence, tandis que des mécanismes de limitation non-linéaires dans l’amplificateur assurent la stabilité de l’amplitude.
Chapitre 8 : Les Oscillateurs Sinusoïdaux
8.1. L’Oscillateur à Réaction de Hartley
L’oscillateur Hartley, utilisant une bobine à prise intermédiaire dans le circuit résonant pour assurer la réaction, est présenté. Son schéma de principe, historiquement à tube puis adapté à transistor, est analysé.
8.2. L’Oscillateur à Réaction de Colpitts
L’oscillateur Colpitts, dual du Hartley, utilise un diviseur de tension capacitif dans le circuit résonant. Il est souvent préféré pour les hautes fréquences et est très répandu dans les émetteurs radio.
8.3. L’Oscillateur à Déphasage RC
Cet oscillateur n’utilise pas de circuit LC mais une cascade de cellules Résistance-Condensateur pour créer le déphasage de 180° nécessaire à la réaction. Il est simple à réaliser pour les basses fréquences.
8.4. L’Oscillateur à Quartz
Le quartz piézoélectrique est présenté comme un résonateur mécanique de très haute qualité, équivalent à un circuit LC avec un facteur Q extrêmement élevé. Les oscillateurs à quartz offrent une stabilité en fréquence exceptionnelle et sont utilisés pour les horloges de tous les ordinateurs et appareils numériques.
PARTIE 4 : INTRODUCTION AU TRAITEMENT DU SIGNAL
Cette dernière partie donne un aperçu des applications des circuits électroniques dans le traitement et la transmission de l’information, en abordant les principes de la modulation/démodulation et en ouvrant une porte sur le monde de l’électronique numérique.
Chapitre 9 : Modulation et Démodulation d’Amplitude (AM)
9.1. Le Principe de la Modulation
La modulation est expliquée comme le processus consistant à « greffer » un signal de basse fréquence (l’information, ex: la voix) sur une onde de haute fréquence (l’onde porteuse) pour en faciliter la transmission par voie hertzienne.
9.2. Le Circuit de Modulation d’Amplitude
Un schéma simple de modulateur AM utilisant un transistor est étudié, où le signal modulant fait varier le gain de l’amplificateur de la porteuse.
9.3. Le Principe de la Démodulation (Détection)
La démodulation est le processus inverse, qui consiste à extraire le signal d’information de l’onde porteuse reçue. Le circuit de détection le plus simple est la détection à diode, qui utilise une diode pour redresser le signal et un filtre RC pour éliminer la haute fréquence.
9.4. La Chaîne Complète d’un Récepteur AM
Un schéma synoptique d’un récepteur radio AM simple (à amplification directe) est présenté, montrant la succession des étages : antenne, amplification haute fréquence, détection, et amplification basse fréquence pour le haut-parleur.
Chapitre 10 : Introduction à l’Électronique Numérique
10.1. Logique Binaire et Niveaux Logiques
Le concept de logique binaire (utilisant seulement les états 0 et 1) est introduit comme le fondement de tous les systèmes numériques. Les correspondances avec des niveaux de tension (ex: 0V pour le niveau 0, +5V pour le niveau 1) sont établies.
10.2. Les Portes Logiques de Base : NON, ET, OU
Les trois fonctions logiques fondamentales sont définies à l’aide de leurs tables de vérité et de leurs symboles normalisés : la porte NON (inverseur), la porte ET (AND), et la porte OU (OR).
10.3. Réalisation des Portes Logiques à l’aide de Transistors
Pour faire le lien avec l’électronique analogique, des schémas simples montrant comment réaliser un inverseur ou une porte ET à l’aide de transistors fonctionnant en commutation sont présentés (logique DTL/RTL).
10.4. Algèbre de Boole et Simplification de Circuits
L’algèbre de Boole est introduite comme l’outil mathématique permettant de manipuler les équations logiques. Des exemples simples de simplification de fonctions logiques sont donnés, montrant comment optimiser le nombre de portes nécessaires pour réaliser une fonction, une compétence de base pour la conception de systèmes logiques, par exemple pour de petits automatismes industriels à Boma.
ANNEXES
Les annexes regroupent des fiches de synthèse et des données techniques. Elles contiennent des tableaux comparatifs des caractéristiques des tubes et des transistors, des formulaires pour le calcul des circuits amplificateurs et des oscillateurs, une bibliothèque des symboles des composants étudiés, et des tables de vérité des principales fonctions logiques. Un glossaire des termes d’électronique analogique et numérique est également inclus.