ELECTRONIQUE GENERALE

2ÈME ANNÉE – OPTION ÉLECTRONIQUE

Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC

Préliminaires

1. Objectifs Généraux du Cours

Ce manuel a pour vocation de faire passer l’élève de la connaissance des composants élémentaires à l’analyse de fonctions électroniques complètes. S’appuyant sur l’étude de la jonction P-N, le cours explore les applications fondamentales des diodes dans la constitution des alimentations, puis introduit la technologie, le fonctionnement et la polarisation des transistors, qui sont les briques de base de l’amplification et de la commutation. L’objectif est de maîtriser l’analyse et la conception des premiers étages de tout système électronique.

2. Compétences Visées

À l’issue de cette année d’étude, l’élève détiendra la capacité de :

• Analyser et calculer les grandeurs caractéristiques des circuits de redressement et de filtrage.
• Concevoir un circuit de stabilisation de tension simple à l’aide d’une diode Zener.
• Expliquer l’effet transistor et les relations fondamentales entre les courants d’un transistor bipolaire.
• Interpréter les réseaux de caractéristiques statiques pour déterminer le comportement d’un transistor.
• Calculer les éléments d’un circuit de polarisation pour fixer un point de repos et garantir sa stabilité thermique.

3. Approche Pédagogique

La démarche pédagogique est axée sur la construction de fonctions. Chaque chapitre s’attache à montrer comment l’association de composants déjà étudiés permet de réaliser une nouvelle fonction plus complexe. L’analyse des circuits est menée de front avec le calcul des éléments, pour que l’élève puisse non seulement comprendre un montage, mais aussi le dimensionner. Des projets de synthèse, comme l’étude complète d’une alimentation de laboratoire ou la polarisation d’un étage préamplificateur, serviront de fil conducteur. Des exemples concrets, tels que l’analyse du régulateur de charge d’un kit solaire à Mweka ou la compréhension des premiers étages d’un émetteur de radio communautaire à Bunia, illustrent la pertinence pratique des concepts.

PREMIÈRE PARTIE : DIODES SPÉCIALES ET LEURS TECHNOLOGIES 💡

Cette partie étend l’étude de la diode au-delà de sa fonction de redressement de base. L’élève y découvre des diodes spécialement conçues pour exploiter d’autres phénomènes physiques au sein de la jonction P-N. De la régulation de tension à l’émission de lumière, ces composants spécialisés ouvrent la voie à une multitude d’applications dans les domaines de l’alimentation, de la signalisation, de l’optoélectronique et des hautes fréquences. La maîtrise de leurs caractéristiques est essentielle pour le technicien moderne.

CHAPITRE 1 : LA DIODE ZENER ET LA RÉGULATION DE TENSION

1.1. Le Phénomène de Claquage Inverse Contrôlé

Ce sous-chapitre revient sur le claquage inverse, en expliquant qu’il peut être non destructif s’il est contrôlé. Les mécanismes physiques de l’effet Zener et de l’effet d’avalanche sont décrits, soulignant que la diode Zener est optimisée pour fonctionner de manière stable dans cette zone.

1.2. Caractéristiques et Paramètres de la Diode Zener

La caractéristique courant-tension de la diode Zener est analysée en détail, en se concentrant sur la zone de claquage inverse où la tension à ses bornes () reste remarquablement constante. Les paramètres clés (tension Zener, courant minimal et maximal, résistance dynamique) sont définis.

1.3. Le Circuit Régulateur Shunt

L’application principale de la diode Zener est présentée : le régulateur de tension « shunt » (parallèle). L’élève étudiera le montage de base avec une résistance chutrice et la diode Zener, et comprendra comment ce circuit maintient une tension de sortie stable malgré les variations de la source d’alimentation.

1.4. Dimensionnement d’un Régulateur Zener

L’élève apprendra à dimensionner un régulateur, c’est-à-dire à calculer la valeur et la puissance de la résistance de limitation et à choisir la diode Zener adéquate en fonction de la tension à réguler et du courant consommé par la charge, un savoir-faire crucial pour concevoir des alimentations simples et fiables.

CHAPITRE 2 : DIODES ÉLECTROLUMINESCENTES (LED) ET PHOTODIODES

2.1. Le Phénomène d’Électroluminescence

La Diode Électroluminescente (DEL ou LED) est une jonction P-N qui émet de la lumière lorsqu’elle est polarisée en direct. Le principe de la recombinaison radiative des paires électron-trou, qui libère de l’énergie sous forme de photons, est expliqué. La couleur de la lumière émise dépend des matériaux semi-conducteurs utilisés.

2.2. Caractéristiques et Utilisation des LEDs

Les caractéristiques d’une LED (tension de seuil directe, courant nominal, intensité lumineuse) sont présentées. L’élève apprendra à calculer la résistance de limitation de courant indispensable pour protéger la LED et à l’utiliser dans des circuits de signalisation, d’affichage ou d’éclairage.

2.3. Le Phénomène Photovoltaïque et la Photodiode

La photodiode exploite l’effet inverse : elle convertit l’énergie lumineuse en énergie électrique. Lorsqu’un photon d’énergie suffisante frappe la jonction, il crée une paire électron-trou, générant un courant. L’utilisation de la photodiode comme capteur de lumière est mise en évidence.

2.4. L’Opto-coupleur

L’opto-coupleur est un composant qui combine une LED et un phototransistor dans un même boîtier opaque. L’élève découvrira comment ce dispositif permet de transmettre une information entre deux circuits tout en assurant une isolation électrique totale, une fonction essentielle pour la sécurité et l’interfaçage des circuits de commande.

CHAPITRE 3 : AUTRES DIODES SPÉCIALISÉES

3.1. La Diode Schottky

La diode Schottky est formée par une jonction métal-semi-conducteur. Sa particularité est d’avoir une tension de seuil très faible (environ 0.3V) et un temps de commutation extrêmement rapide. Son utilisation dans les alimentations à découpage et les circuits logiques rapides est expliquée.

3.2. La Diode à Capacité Variable (Varicap)

Une jonction P-N polarisée en inverse se comporte comme un petit condensateur dont la capacité dépend de la tension appliquée. La diode Varicap est optimisée pour exploiter cette propriété. L’élève comprendra son rôle dans les circuits d’accord des récepteurs radio et des oscillateurs commandés en tension (VCO).

3.3. La Diode PIN

La diode PIN possède une large zone de semi-conducteur intrinsèque (I) entre les régions P et N. Cette structure lui confère des propriétés utiles en hyperfréquences, où elle peut se comporter comme un atténuateur variable ou un commutateur rapide.

3.4. La Diode Laser

Similaire à une LED, la diode laser est conçue pour que les photons émis stimulent l’émission d’autres photons en phase, produisant un faisceau de lumière cohérent et intense. Ses applications dans les lecteurs de disques optiques, les télécommunications par fibre optique et les pointeurs sont mentionnées.

DEUXIÈME PARTIE : CONCEPTION ET ANALYSE DES ALIMENTATIONS LINÉAIRES 🔌

Cette partie est entièrement dédiée à la fonction électronique la plus universelle : l’alimentation. En assemblant les composants étudiés précédemment, l’élève apprendra à concevoir et à analyser, étape par étape, un circuit capable de transformer la tension alternative du secteur en une tension continue propre et stable, apte à alimenter n’importe quel appareil électronique. Chaque chapitre décortique un bloc fonctionnel de cette chaîne de conversion d’énergie.

CHAPITRE 4 : CIRCUITS DE REDRESSEMENT MONOPHASÉ

4.1. Le Redressement Simple Alternance

L’analyse physique et mathématique du circuit redresseur à une diode est menée. L’élève étudiera la forme d’onde en sortie et calculera les grandeurs caractéristiques de la tension redressée : valeur moyenne () et valeur efficace ().

4.2. Le Redressement Double Alternance à Point Milieu

Le montage utilisant un transformateur à prise médiane et deux diodes est analysé. L’élève comparera ses performances à celles du simple alternance, en notant l’amélioration de la valeur moyenne et la fréquence double de l’ondulation.

4.3. Le Redressement en Pont de Graetz

Le circuit redresseur à quatre diodes, le plus utilisé, est étudié en détail. L’élève calculera ses grandeurs de sortie et comprendra pourquoi il représente le meilleur compromis performance/complexité pour la plupart des applications.

4.4. Contraintes sur les Diodes

Pour chaque type de montage, l’élève apprendra à calculer les contraintes subies par les diodes : le courant moyen qui les traverse et, surtout, la tension inverse de pointe () qu’elles doivent supporter sans claquer. Ce calcul est indispensable pour choisir le bon composant.

CHAPITRE 5 : LE FILTRAGE CAPACITIF ET LE TAUX D’ONDULATION

5.1. Effet du Condensateur de Filtrage

Le rôle du condensateur placé en parallèle avec la charge est expliqué physiquement. L’élève analysera les phases de charge rapide du condensateur à travers les diodes et sa décharge lente dans la charge, qui lisse la tension.

5.2. Forme de la Tension et Ondulation Résiduelle

La forme d’onde de la tension de sortie d’un redresseur filtré est étudiée : une tension continue sur laquelle se superpose une petite ondulation en « dents de scie ». L’influence de la valeur du condensateur et du courant de charge sur l’amplitude de cette ondulation est mise en évidence.

5.3. Définition et Calcul du Taux d’Ondulation

Le taux d’ondulation est défini comme le rapport de l’amplitude de l’ondulation à la valeur moyenne de la tension continue. L’élève apprendra à utiliser des formules approchées pour calculer ce taux, qui est un indicateur clé de la qualité du filtrage.

5.4. Courant de Pointe dans les Diodes

Le condensateur de filtrage modifie radicalement le courant qui traverse les diodes. L’élève découvrira que le courant ne circule plus en permanence, mais sous forme de brèves impulsions de forte amplitude (courants de pointe) lorsque les diodes rechargent le condensateur, une contrainte importante à prendre en compte.

CHAPITRE 6 : FILTRES COMPLÉMENTAIRES LC ET RC

6.1. Insuffisances du Filtrage Capacitif Simple

Ce sous-chapitre explique que pour des applications exigeantes, le filtrage par un simple condensateur peut être insuffisant, conduisant à une ondulation trop élevée. Le besoin de filtres additionnels est ainsi justifié.

6.2. Le Filtre LC en « Tête »

Le filtre LC, composé d’une inductance en série et d’un condensateur en parallèle, est analysé. Le rôle de l’inductance, qui lisse le courant, et celui du condensateur, qui lisse la tension, sont expliqués. Ce type de filtre est très efficace mais l’inductance est coûteuse et encombrante.

6.3. Le Filtre RC

Une alternative moins coûteuse est le filtre RC, qui utilise une résistance en série à la place de l’inductance. L’élève étudiera son fonctionnement, tout en notant ses limitations : il provoque une chute de tension continue et dissipe de la puissance, le réservant aux faibles courants.

6.4. Justification des Formes de Tension

À l’aide de chronogrammes, l’élève visualisera l’effet de ces filtres complémentaires en différents points du circuit. L’objectif est de justifier qualitativement l’amélioration progressive de la qualité de la tension continue à chaque étape du filtrage.

CHAPITRE 7 : CIRCUITS MULTIPLICATEURS DE TENSION

7.1. Le Doubleur de Tension

Le principe de fonctionnement du doubleur de tension (type Schenkel ou Latour) est expliqué en détail, en décomposant le processus sur deux alternances successives. L’élève comprendra comment les condensateurs se chargent en série ou en parallèle avec la source pour produire une tension de sortie double.

7.2. Le Tripleur et le Quadrupleur de Tension

L’extension du principe du doubleur à des ordres supérieurs est présentée. L’élève apprendra à dessiner les schémas des tripleurs et quadrupleurs en cascade, en comprenant la logique additive des tensions aux bornes des condensateurs.

7.3. Schémas et Fonctionnement

Des schémas clairs pour chaque type de multiplicateur sont fournis. L’élève s’exercera à les analyser pour suivre le cheminement des charges à chaque alternance et justifier la valeur de la tension de sortie obtenue à vide.

7.4. Dimensionnement et Applications

Le calcul approché des tensions aux bornes des composants est abordé. Les applications typiques des multiplicateurs, comme la génération de la très haute tension dans les anciens téléviseurs ou dans certains équipements scientifiques, sont évoquées. La conception d’un tel circuit pour un projet de clôture électrique de faible puissance dans une ferme près de Lubumbashi pourrait servir d’exemple.

TROISIÈME PARTIE : LE TRANSISTOR BIPOLAIRE (BJT) ET SON FONCTIONNEMENT 🕹️

Cette partie introduit le composant qui a révolutionné l’électronique : le transistor. L’étude se concentre sur le transistor bipolaire (BJT), en expliquant sa structure physique, le mécanisme interne qui lui permet d’amplifier le courant (« l’effet transistor »), et les relations mathématiques qui lient ses différents courants. La maîtrise de ces concepts est la porte d’entrée vers la compréhension de toute l’électronique d’amplification et de commutation.

CHAPITRE 8 : STRUCTURE ET PRINCIPE DE L’EFFET TRANSISTOR

8.1. Structure du Transistor Bipolaire (NPN et PNP)

Le transistor bipolaire est présenté comme une structure à trois couches de semi-conducteurs dopés, formant deux jonctions P-N dos à dos. Les deux types, NPN et PNP, sont décrits, et leurs symboles schématiques respectifs sont introduits.

8.2. Les Trois Régions : Émetteur, Base, Collecteur

Les trois régions du transistor et leurs caractéristiques sont détaillées : l’Émetteur, fortement dopé, qui « émet » les porteurs ; la Base, très mince et faiblement dopée, qui contrôle le flux ; et le Collecteur, qui « collecte » les porteurs.

8.3. L’Effet Transistor

Le principe de fonctionnement du transistor en régime actif est expliqué. L’élève comprendra comment une polarisation correcte des deux jonctions (jonction Base-Émetteur en direct, jonction Base-Collecteur en inverse) permet à un faible courant de Base de contrôler un courant de Collecteur beaucoup plus important.

8.4. Sens Conventionnels des Courants

Pour les transistors NPN et PNP, les sens conventionnels du courant d’émetteur (), du courant de base () et du courant de collecteur () sont établis et illustrés sur les schémas.

CHAPITRE 9 : COURANTS ET RELATIONS FONDAMENTALES DU BJT

9.1. La Loi des Nœuds au Transistor

La relation la plus simple entre les courants est issue de la loi de Kirchhoff : le courant d’émetteur est la somme des courants de base et de collecteur (). Cette loi est valable quel que soit le régime de fonctionnement.

9.2. Le Gain en Courant en Base Commune (α)

Le paramètre alpha (α) est défini comme le rapport du courant de collecteur au courant d’émetteur (). Sa valeur est toujours légèrement inférieure à 1. La relation plus complète  est également présentée.

9.3. Le Gain en Courant en Émetteur Commun (β)

Le paramètre bêta (β), ou gain en courant, est le plus important en pratique. Il est défini comme le rapport du courant de collecteur au courant de base (). Sa valeur, typiquement entre 50 et 300, quantifie l’effet d’amplification du transistor.

9.4. Formules Simplifiées et Approximations

Pour l’analyse de circuits, des approximations très utiles sont établies. Étant donné que  est très petit, on peut souvent considérer que . De même, la relation  est la formule clé utilisée dans la plupart des calculs de polarisation.

CHAPITRE 10 : RÉSEAUX DE CARACTÉRISTIQUES STATIQUES DU BJT

10.1. Le Montage de Mesure des Caractéristiques

Le montage expérimental permettant de relever point par point les caractéristiques d’un transistor est présenté. Il nécessite des alimentations variables et des appareils de mesure pour contrôler et mesurer les tensions et courants sur les trois bornes.

10.2. Le Réseau d’Entrée

Le réseau d’entrée, qui trace la caractéristique de la jonction Base-Émetteur ( en fonction de ), est étudié. L’élève constatera qu’elle est similaire à celle d’une diode standard.

10.3. Le Réseau de Sortie

Le réseau de sortie ( en fonction de  pour différentes valeurs de ) est le plus informatif. L’élève apprendra à interpréter ce réseau de courbes, qui montre comment le courant de collecteur est contrôlé par le courant de base et est quasi indépendant de la tension  en régime actif.

10.4. Identification des Zones de Fonctionnement

Le réseau de sortie permet d’identifier clairement les trois principales zones de fonctionnement du transistor : la zone de blocage (où  est nul), la zone de saturation (où  est très faible, le transistor se comporte comme un interrupteur fermé) et la zone linéaire (ou active), utilisée pour l’amplification.

Annexes

1. Mémento des Fonctions Électroniques de Base

Cette section fournirait une synthèse visuelle des fonctions étudiées, avec pour chacune le schéma bloc, le schéma de principe du circuit de base et les formes d’ondes caractéristiques. Les fonctions couvriraient le redressement, le filtrage, la régulation et l’amplification.

2. Guide de Choix des Composants d’Alimentation

Un guide pratique aiderait l’élève à sélectionner les composants pour une alimentation simple. Il inclurait des tableaux pour choisir un transformateur en fonction de la tension et du courant de sortie désirés, un condensateur de filtrage en fonction du taux d’ondulation visé, et des diodes de redressement.

3. Fiches Techniques de Transistors Courants

Des extraits de fiches techniques (datasheets) de transistors bipolaires courants (ex: BC547, 2N3904) seraient présentés. L’élève apprendrait à y retrouver les paramètres essentiels : le gain en courant (β ou ), les courants et tensions maximaux, et la puissance maximale dissipable.

4. Dépannage d’une Alimentation Linéaire

Une méthodologie de dépannage pour une alimentation simple serait proposée. L’élève apprendrait une séquence logique de mesures de tension (alternative à la sortie du transformateur, continue après le redresseur, continue après le filtre, etc.) pour localiser une panne, une compétence pratique fondamentale pour tout technicien.