ELECTRONIQUE INDUSTRIELLE

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 doter l’élève des compétences nécessaires à la compréhension, l’analyse et la conception des systèmes électroniques de commande et de puissance qui pilotent les processus industriels. Le cours établit un pont entre l’électronique de signal, l’électronique de puissance et l’automatisme. Il explore les interfaces analogiques, les commutateurs de puissance semi-conducteurs, et les logiques de commande séquentielles qui constituent l’ossature de l’industrie moderne. La finalité est de former un technicien apte à intervenir sur des chaînes de production automatisées, en maîtrisant à la fois les circuits de commande basse tension et les actionneurs de forte puissance.

2. Compétences Visées

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

• Concevoir des circuits de conditionnement de signal à base d’amplificateurs opérationnels pour interfacer des capteurs industriels.
• Maîtriser le principe de fonctionnement et la commande des thyristors et des triacs pour des applications de variation de puissance.
• Analyser et concevoir des circuits de conversion d’énergie statique (redresseurs commandés, hacheurs, onduleurs).
• Utiliser le langage GRAFCET pour décrire et spécifier un automatisme séquentiel.
• Comprendre l’architecture d’un système à microprocesseur et le rôle de ses interfaces d’entrées/sorties dans un contexte de commande de processus.

3. Approche Pédagogique

La démarche pédagogique est systémique et orientée vers la résolution de problèmes industriels. Chaque chapitre aborde une brique technologique (ampli-op, thyristor, compteur) en la situant immédiatement dans une chaîne de commande complète. L’apprentissage se fait par l’étude de cas concrets, allant de la régulation de température d’un four à la commande d’un moteur ou d’un vérin. L’accent est mis sur la complémentarité des technologies analogiques, de puissance et numériques pour réaliser un automatisme. Des projets, comme la conception du système de commande d’une petite station de pompage pour la REGIDESO à Kananga ou l’automatisation d’une étape de production dans une usine de transformation agroalimentaire à Mbandaka, permettent d’intégrer et de valider les compétences acquises.

PREMIÈRE PARTIE : LES INTERFACES ANALOGIQUES POUR LA COMMANDE INDUSTRIELLE 📈

Cette partie se consacre à l’étude des circuits qui forment l’interface entre le monde physique des capteurs et le monde numérique de la commande. Les processus industriels sont régis par des grandeurs physiques (température, pression, vitesse) qui sont de nature analogique. L’élève y apprendra à utiliser l’amplificateur opérationnel pour conditionner, filtrer et préparer ces signaux avant leur conversion, une étape cruciale pour garantir la fiabilité et la précision de toute chaîne de régulation.

CHAPITRE 1 : L’AMPLIFICATEUR OPÉRATIONNEL EN COMMANDE ET RÉGULATION

1.1. L’amplificateur différentiel et le rejet du mode commun

Le rôle de l’amplificateur différentiel comme étage d’entrée de l’ampli-op est analysé sous l’angle industriel. Sa capacité à rejeter les parasites et les bruits de mode commun, omniprésents dans les usines, est mise en évidence comme une caractéristique essentielle pour la mesure de signaux de capteurs.

1.2. L’amplificateur d’instrumentation

L’amplificateur d’instrumentation est présenté comme un circuit intégré spécialisé, basé sur trois ampli-ops, conçu pour l’amplification de signaux différentiels de très faible amplitude avec une très grande précision. Son schéma et son utilisation pour des capteurs comme les ponts de jauges sont étudiés.

1.3. Montages de mise à l’échelle et de décalage de niveau

Les montages de base (inverseur, non-inverseur, sommateur) sont revisités dans un contexte de conditionnement de signal. L’élève apprendra à les utiliser pour adapter la plage de tension d’un capteur (par exemple, 0-1V) à la plage d’entrée d’un convertisseur (par exemple, 0-5V).

1.4. L’intégrateur et le dérivateur en régulation

Les montages intégrateur et dérivateur sont présentés comme les briques de base des régulateurs analogiques de type PID (Proportionnel, Intégral, Dérivé), qui sont au cœur de la plupart des boucles d’asservissement de processus industriels.

CHAPITRE 2 : CONCEPTION DE FILTRES ACTIFS POUR LE CONDITIONNEMENT DE SIGNAL

2.1. Nécessité du filtrage en milieu industriel

Les signaux issus des capteurs sont souvent bruités par des perturbations électromagnétiques. La nécessité de filtrer ces signaux pour en extraire l’information utile avant tout traitement est justifiée.

2.2. Les filtres actifs passe-bas

Le filtre passe-bas actif est étudié pour son rôle dans l’élimination des bruits haute fréquence. Les schémas des filtres du premier et du second ordre (type Sallen-Key) sont analysés, et l’élève apprendra à calculer leur fréquence de coupure.

2.3. Les filtres actifs passe-haut

Le filtre passe-haut actif est présenté comme un moyen d’éliminer les dérives lentes ou les composantes continues indésirables d’un signal, par exemple pour mesurer de faibles variations alternatives superposées à une forte composante continue.

2.4. Les filtres actifs passe-bande et réjecteurs

Le filtre passe-bande est étudié pour sa capacité à isoler une fréquence spécifique, par exemple dans les systèmes de détection de vibrations. Le filtre réjecteur (ou « notch ») est présenté comme un outil puissant pour éliminer une perturbation à une fréquence précise, comme le parasite à 50 Hz du réseau électrique.

CHAPITRE 3 : COMPARATEURS ET TRIGGERS DE SCHMITT

3.1. L’ampli-op en boucle ouverte : le comparateur

Lorsqu’il est utilisé sans contre-réaction, l’ampli-op se comporte comme un comparateur de tension très sensible. L’élève analysera son fonctionnement, où la sortie bascule violemment d’un état à l’autre selon que l’entrée V+ est supérieure ou inférieure à V-.

3.2. Le comparateur simple et ses applications

Le montage du comparateur à un seuil est étudié. Son utilisation pour la détection de niveau, la surveillance de tension (par exemple, le niveau de charge d’une batterie dans un système de communication de secours à Kindu) ou la transformation d’un signal sinusoïdal en signal carré est illustrée.

3.3. Le comparateur à hystérésis (Trigger de Schmitt)

Pour éviter les basculements intempestifs en présence d’un signal bruité, le trigger de Schmitt est introduit. Ce montage utilise une réaction positive pour créer deux seuils de basculement distincts (un seuil haut et un seuil bas), le rendant ainsi insensible au bruit.

3.4. Conception de circuits de mise en forme

L’élève s’exercera à concevoir des circuits de mise en forme qui transforment des signaux de forme quelconque issus de capteurs en signaux logiques rectangulaires, propres et compatibles avec les entrées d’un automate ou d’un microcontrôleur.

CHAPITRE 4 : LES CONVERTISSEURS DE DONNÉES (CAN/CNA) EN MILIEU INDUSTRIEL

4.1. Le rôle des convertisseurs dans l’automatisation

Les convertisseurs sont les liens indispensables entre les automates programmables (numériques) et le processus à commander (analogique). Leur rôle dans les chaînes de mesure (CAN) et les chaînes de commande (CNA) est expliqué.

4.2. Le convertisseur numérique-analogique (CNA)

Le principe du CNA est présenté comme la première étape logique. L’élève étudiera le schéma du réseau R-2R, qui permet de générer une tension ou un courant de sortie proportionnel à une valeur numérique d’entrée fournie par l’automate.

4.3. Le convertisseur analogique-numérique (CAN)

Le principe du CAN à approximations successives est analysé comme étant la technologie la plus répandue dans les modules d’entrée analogiques des automates, offrant un bon compromis entre vitesse et résolution.

4.4. Paramètres de choix d’un convertisseur

Les critères de sélection d’un convertisseur pour une application industrielle sont étudiés : la résolution (nombre de bits), qui définit la finesse de la mesure ou de la commande, le temps de conversion, et la robustesse de l’interface (par exemple, entrée en courant 4-20 mA).

DEUXIÈME PARTIE : LES COMMUTATEURS DE PUISSANCE SEMI-CONDUCTEURS ⚡

Cette partie est le cœur de l’électronique de puissance. Elle se focalise sur la technologie et l’utilisation des composants semi-conducteurs capables de commuter des courants et des tensions élevés. L’élève y découvrira les thyristors et les triacs, qui agissent comme des interrupteurs statiques robustes. La maîtrise de leur commande permet de réaliser tous les grands convertisseurs d’énergie statiques qui sont à la base de la variation de vitesse et de la gestion de l’énergie dans l’industrie.

CHAPITRE 5 : LE THYRISTOR (SCR) : PRINCIPE ET COMMANDE

5.1. Constitution et caractéristique statique

La structure à quatre couches PNPN du thyristor est rappelée. Sa caractéristique V-I est analysée en détail, en mettant en évidence ses deux états stables (bloqué et passant) et le phénomène d’amorçage.

5.2. Les conditions d’amorçage

Les différentes manières de déclencher un thyristor sont étudiées, en se concentrant sur la commande par impulsion de gâchette. La caractéristique de gâchette, qui définit la zone de fonctionnement sûr pour l’amorçage, est interprétée.

5.3. Les conditions de blocage

Le mécanisme de blocage du thyristor par annulation du courant d’anode est expliqué. La distinction entre le blocage naturel (en régime AC) et le blocage forcé (nécessaire en régime DC) est établie.

5.4. Protection des thyristors

Les thyristors sont des composants robustes mais sensibles aux surtensions et aux vitesses de variation excessives du courant (di/dt) et de la tension (dv/dt). Les schémas des circuits de protection indispensables (réseaux « snubber » RC, inductances de lissage) sont analysés.

CHAPITRE 6 : LE TRIAC ET LA COMMANDE DE PUISSANCE EN ALTERNATIF

6.1. Constitution et principe du TRIAC

Le TRIAC est présenté comme un interrupteur bidirectionnel, idéal pour la commande de charges alimentées en courant alternatif. Sa structure, équivalente à deux thyristors en montage anti-parallèle, est expliquée.

6.2. Caractéristique et quadrants de fonctionnement

La caractéristique courant-tension symétrique du TRIAC est étudiée. L’élève découvrira qu’il peut conduire et être amorcé dans les deux sens, ce qui lui confère quatre quadrants de déclenchement.

6.3. Le DIAC comme circuit de déclenchement

Le DIAC est présenté comme le compagnon idéal du TRIAC. Son rôle de « gâchette » bidirectionnelle qui s’amorce à une tension de seuil fixe permet de générer des impulsions de commande symétriques et fiables.

6.4. Comparaison Thyristor / TRIAC

Un tableau comparatif synthétise les avantages et les inconvénients des deux composants. Le TRIAC est plus simple à mettre en œuvre pour les charges AC, mais le thyristor offre des performances supérieures en termes de puissance, de vitesse et de robustesse.

CHAPITRE 7 : REDRESSEURS COMMANDÉS ET GRADATEURS

7.1. Le redresseur monophasé tout thyristors

Le schéma du pont de Graetz entièrement commandé est analysé. L’élève étudiera les formes d’ondes de la tension de sortie et comprendra comment le réglage de l’angle de retard à l’amorçage permet de faire varier la tension moyenne de 0 à sa valeur maximale.

7.2. Le redresseur mixte (semi-commandé)

Le pont mixte, utilisant deux thyristors et deux diodes, est présenté comme une solution plus économique. Son fonctionnement et ses formes d’ondes sont comparés à ceux du pont tout thyristors.

7.3. Le gradateur à commande de phase

Le circuit du gradateur à TRIAC est étudié en détail comme l’application phare de la commande de puissance AC. L’élève analysera le fonctionnement du réseau de déphasage RC qui permet de contrôler l’angle d’amorçage et donc la puissance RMS délivrée à la charge.

7.4. Commande de charges inductives

La commande de moteurs ou de transformateurs par gradateur est analysée. Le problème du déphasage entre le courant et la tension, qui complique la commande, est expliqué. La nécessité de circuits de déclenchement adaptés est soulignée.

CHAPITRE 8 : HACHEURS ET ONDULEURS : PRINCIPES ET APPLICATIONS

8.1. Le hacheur série (dévolteur)

Le hacheur série est présenté comme un convertisseur continu-continu abaisseur de tension. Son principe, qui consiste à hacher la tension d’entrée à haute fréquence, est expliqué. Le rôle de la diode de roue libre et du filtre de sortie LC est analysé.

8.2. Le rapport cyclique

La tension de sortie du hacheur est contrôlée en faisant varier le rapport cyclique de la commande du commutateur. L’élève établira la relation linéaire simple qui lie la tension de sortie à la tension d’entrée via ce rapport cyclique.

8.3. L’onduleur monophasé en pont

Le schéma de l’onduleur en pont à quatre commutateurs est étudié. L’élève comprendra comment une séquence de commande appropriée de ces interrupteurs permet de générer une tension de sortie rectangulaire ou quasi sinusoïdale à partir d’une source continue.

8.4. La commande par Modulation de Largeur d’Impulsion (MLI ou PWM)

La technique de la MLI est introduite comme la méthode standard pour commander les onduleurs modernes. Elle permet de contrôler à la fois la fréquence et l’amplitude de la tension de sortie, une technique essentielle pour la variation de vitesse des moteurs asynchrones dans une usine textile de Lubumbashi.

TROISIÈME PARTIE : LOGIQUE SÉQUENTIELLE ET AUTOMATISME ⚙️

Cette partie introduit l’élève au monde de l’automatisme, en lui donnant les outils pour décrire et concevoir des systèmes qui exécutent une suite ordonnée d’opérations. L’étude part des briques de base de la mémoire (les bascules) pour construire des fonctions séquentielles plus complexes comme les compteurs. L’aboutissement est la découverte du GRAFCET, un langage graphique puissant et normalisé pour la spécification de tout automatisme séquentiel, du plus simple au plus complexe.

CHAPITRE 9 : LES CIRCUITS DE BASE DE LA LOGIQUE SÉQUENTIELLE (BASCULES)

9.1. Distinction entre logique combinatoire et séquentielle

La différence fondamentale est établie : un circuit combinatoire a une sortie qui ne dépend que de l’état actuel de ses entrées, tandis qu’un circuit séquentiel a une sortie qui dépend des entrées actuelles ET de l’historique des états précédents (il a une mémoire).

9.2. Les bascules RS et D

Les bascules sont présentées comme les éléments de mémoire 1 bit fondamentaux. La bascule RS (Set-Reset) et la bascule D (Data), qui mémorise la valeur de son entrée à chaque coup d’horloge, sont étudiées.

9.3. La bascule JK

La bascule JK est présentée comme la plus complète des bascules. Sa table de vérité est analysée, en particulier son mode de basculement (« toggle ») lorsque J=K=1, qui est la base de la plupart des compteurs.

9.4. Entrées asynchrones (Preset, Clear)

Les entrées asynchrones, qui permettent de forcer l’état de la bascule indépendamment de l’horloge, sont introduites. Leur rôle pour l’initialisation et la remise à zéro des systèmes séquentiels est expliqué.

CHAPITRE 10 : LES COMPTEURS ET TEMPORISATEURS NUMÉRIQUES

10.1. Le compteur binaire asynchrone

Le schéma d’un compteur asynchrone est réalisé en cascadant des bascules JK en mode « toggle ». Son fonctionnement simple mais limité en vitesse est analysé.

10.2. Le compteur binaire synchrone

Le compteur synchrone, où toutes les bascules partagent la même horloge, est étudié comme la solution performante. La logique combinatoire qui assure la séquence de comptage correcte est conçue.

10.3. Les circuits intégrés compteurs

L’utilisation de compteurs intégrés standards est présentée. L’élève apprendra à les câbler pour réaliser des fonctions de comptage, de décomptage, de chargement parallèle et de mise en cascade pour augmenter la capacité de comptage.

10.4. Les temporisateurs programmables

Les temporisateurs (ou « timers ») intégrés sont étudiés. Ils sont souvent basés sur un compteur qui décompte à partir d’une valeur chargée, sous le rythme d’une horloge. Leur utilisation pour générer des temporisations précises dans les automatismes est expliquée.

CHAPITRE 11 : INTRODUCTION À L’AUTOMATISME SÉQUENTIEL : LE GRAFCET

11.1. Le but du GRAFCET

Le GRAFCET (GRAphe Fonctionnel de Commande Étapes-Transitions) est introduit comme un outil graphique normalisé pour décrire le comportement d’un automatisme séquentiel. Son avantage est de fournir une description claire, rigoureuse et non ambiguë, compréhensible par tous les acteurs d’un projet.

11.2. Les éléments de base : étape, transition, liaison

Les trois éléments fondamentaux du GRAFCET sont définis. L’étape, qui représente une situation stable du système. La transition, qui représente la condition de passage d’une étape à une autre. La liaison orientée, qui relie les étapes et les transitions.

11.3. Les règles d’évolution

Les cinq règles qui régissent l’évolution d’un GRAFCET sont énoncées. L’élève apprendra en particulier la règle du franchissement d’une transition (elle doit être validée ET sa réceptivité doit être vraie) et la règle d’activation/désactivation des étapes.

11.4. Description d’un processus séquentiel simple

L’élève s’exercera à traduire le cahier des charges d’un automatisme simple (par exemple, la commande d’une porte de garage ou d’un système de feux de carrefour à Goma) en un GRAFCET de niveau 1 (spécification fonctionnelle).

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 Composant de Puissance

Un guide pratique aiderait l’élève à naviguer dans une fiche technique de thyristor ou de TRIAC. Il expliquerait comment interpréter les grandeurs clés (courants RMS et crête, tensions de blocage, caractéristiques de gâchette, paramètres thermiques) pour sélectionner le bon composant pour une application donnée.

3. Tableau des Bascules Logiques

Un tableau synthétique présenterait les symboles, les tables de vérité, les équations caractéristiques et les applications typiques des différentes bascules étudiées (RS, D, JK), servant de référence rapide pour la conception de circuits séquentiels.

4. Introduction à l’Implantation d’un GRAFCET

Ce complément (enrichissement) montrerait comment un GRAFCET peut être « traduit » ou « implanté » en technologie matérielle. Des exemples de réalisation en logique câblée (avec des relais ou des bascules) et une ouverture vers l’implantation en logique programmée (sur automate ou microcontrôleur) seraient présentés.