TECHNOLOGIE ELECTRONIQUE
3ÈME ANNÉE – OPTION ÉLECTRONIQUE
Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC
Préliminaires
1. Objectifs Généraux du Cours
Ce manuel a pour objectif de familiariser l’élève avec les technologies qui permettent aux systèmes électroniques d’interagir avec le monde physique et de réaliser des fonctions complexes. Le cours explore les principes de la conversion du son et de la lumière en signaux électriques, et inversement. Il plonge ensuite au cœur de la microélectronique en étudiant la technologie des circuits intégrés, pour finir sur les dispositifs d’affichage qui constituent l’interface visuelle avec l’utilisateur. La finalité est de construire une culture technologique solide sur les composants et les sous-systèmes qui définissent l’électronique moderne.
2. Compétences Visées
Au terme de cette année de formation, l’élève détiendra la capacité de :
- Expliquer le principe de fonctionnement des différents types de microphones et de haut-parleurs.
- Différencier les composants opto-électroniques (émetteurs, récepteurs) et justifier leurs applications.
- Décrire les grandes étapes de la fabrication d’un circuit intégré et interpréter son marquage.
- Identifier les différentes technologies d’affichage et expliquer leur principe de mise en œuvre.
- Justifier le choix d’un transducteur ou d’un dispositif spécifique en fonction d’un cahier des charges d’application.
3. Approche Pédagogique
La démarche pédagogique est axée sur l’analyse de systèmes technologiques. Chaque chapitre se concentre sur une famille de dispositifs, en expliquant les phénomènes physiques sous-jacents, les procédés de fabrication, la structure interne et les domaines d’application. L’étude comparative des différentes technologies pour une même fonction est privilégiée afin de développer l’esprit critique de l’élève. Des études de cas, comme l’analyse de la chaîne de transducteurs d’un studio d’enregistrement à Kinshasa, la technologie des cellules solaires pour un projet d’électrification rurale dans le Kongo Central, ou les circuits intégrés utilisés dans les terminaux de paiement mobile à Lubumbashi, servent à illustrer la pertinence et la diversité des technologies étudiées.
PREMIÈRE PARTIE : LES TRANSDUCTEURS ÉLECTROACOUSTIQUES 🎤
Cette partie est consacrée à l’étude des composants qui forment le pont entre le monde des ondes sonores et celui des signaux électriques. Les transducteurs électroacoustiques sont des convertisseurs d’énergie qui permettent de capter un son pour le transformer en signal électrique (microphones) ou, inversement, de transformer un signal électrique en son audible (haut-parleurs). L’élève y découvrira la richesse des technologies mises en œuvre pour réaliser ces conversions, qui sont à la base de toutes les applications audio.
CHAPITRE 1 : TECHNOLOGIE DES MICROPHONES
1.1. Le microphone à charbon
Ce sous-chapitre décrit la technologie historique du microphone à charbon. Son principe, basé sur la variation de la résistance d’une poudre de carbone sous la pression de l’onde sonore, est expliqué. Sa robustesse et sa forte sensibilité, au prix d’une qualité médiocre, justifient son usage passé en téléphonie.
1.2. Le microphone électrodynamique (à bobine mobile)
Le microphone dynamique est présenté comme un standard pour la sonorisation et la scène. Son fonctionnement, analogue à celui d’un haut-parleur inversé, où une bobine solidaire d’un diaphragme se déplace dans le champ d’un aimant, est analysé. Sa robustesse et sa bonne tenue aux fortes pressions acoustiques sont ses atouts majeurs.
1.3. Le microphone électrostatique (à condensateur)
Le microphone à condensateur est la référence pour l’enregistrement en studio en raison de sa très haute fidélité. Son principe, basé sur la variation de la capacité d’un condensateur dont l’une des armatures est un diaphragme mobile, est expliqué. La nécessité d’une tension de polarisation externe est également soulignée.
1.4. Le microphone piézoélectrique
Cette technologie utilise l’effet piézoélectrique d’un cristal pour convertir une déformation mécanique en tension électrique. L’élève découvrira son utilisation comme microphone de contact, pour capter les vibrations d’un instrument de musique, ou dans des applications industrielles de détection de vibrations.
CHAPITRE 2 : TECHNOLOGIE DES HAUT-PARLEURS
2.1. Le haut-parleur électrodynamique
Le haut-parleur le plus répandu est étudié en détail. Sa constitution (membrane, bobine mobile, aimant permanent, suspension, châssis) est disséquée. Son principe de fonctionnement, basé sur la force de Laplace qui met en mouvement la bobine et la membrane, est expliqué.
2.2. Le haut-parleur électrostatique
Le haut-parleur électrostatique est présenté comme une technologie de haute-fidélité. Son principe, où une fine membrane conductrice est mise en vibration par un champ électrique variable entre deux grilles fixes, est décrit. Sa capacité à reproduire les hautes fréquences avec une très grande finesse est son principal avantage.
2.3. Le haut-parleur piézoélectrique
Utilisant l’effet piézoélectrique inverse, ce type de haut-parleur est simple, peu coûteux et efficace pour reproduire les sons aigus. Son utilisation dans les tweeters, les sonneries électroniques (« buzzers ») et les alarmes est illustrée.
2.4. Les enceintes acoustiques
Un haut-parleur seul a des performances limitées. L’élève apprendra qu’il doit être monté dans une enceinte (un coffret) dont le rôle est de séparer l’onde avant de l’onde arrière et d’optimiser la réponse dans les basses fréquences. Les principes des enceintes closes et « bass-reflex » sont introduits.
CHAPITRE 3 : PRINCIPES D’ENREGISTREMENT ET DE LECTURE AUDIO
3.1. L’enregistrement analogique sur bande magnétique
Le principe de l’enregistrement magnétique est expliqué : un signal électrique est converti en un champ magnétique variable par une tête d’enregistrement, qui vient aimanter de fines particules sur une bande défilant à vitesse constante. Le processus de lecture, qui utilise l’induction électromagnétique dans une tête de lecture, est également décrit.
3.2. L’enregistrement analogique sur disque vinyle
La technologie de la gravure mécanique des disques est présentée. L’élève comprendra comment les modulations d’un sillon unique peuvent contenir l’information des deux canaux stéréo et comment une pointe de lecture (diamant) solidaire d’une cellule (magnétique ou piézoélectrique) retransforme ce mouvement mécanique en signal électrique.
3.3. L’enregistrement numérique : échantillonnage et quantification
Le passage au numérique est une révolution conceptuelle. Les deux étapes clés de la numérisation du son sont expliquées : l’échantillonnage, qui prélève des mesures du signal à intervalles réguliers (par exemple 44100 fois par seconde pour le CD), et la quantification, qui assigne une valeur binaire à chaque mesure.
3.4. La lecture numérique sur disque optique (CD)
Le principe de la lecture d’un disque compact est décrit. Un faisceau laser est focalisé sur une piste de micro-cuvettes. La lumière réfléchie, modulée par la présence de ces cuvettes, est captée par une photodiode, et le signal ainsi obtenu est décodé pour reconstituer les données numériques, puis converti en signal audio analogique.
CHAPITRE 4 : LA CHAÎNE ÉLECTROACOUSTIQUE
4.1. Le schéma bloc d’une chaîne de sonorisation
Le parcours du son dans un système de sonorisation est décomposé en ses blocs fonctionnels. L’élève apprendra à tracer et à analyser ce schéma : microphones, préamplificateurs, table de mixage, processeurs de signal (égaliseurs, compresseurs), amplificateurs de puissance et enceintes.
4.2. Le schéma bloc d’une chaîne d’enregistrement
De manière similaire, la chaîne d’enregistrement en studio est analysée. Le trajet du signal, des microphones à la console de mixage, puis aux enregistreurs multipistes, est détaillé, en soulignant le rôle de chaque équipement dans la sculpture du son.
4.3. L’adaptation des impédances
Un concept crucial en audio est l’adaptation des impédances entre les différents maillons de la chaîne. La règle générale (basse impédance de sortie attaquant une haute impédance d’entrée) est expliquée pour garantir un transfert de tension maximal et éviter les pertes de signal.
4.4. Les niveaux de signal (micro, ligne, haut-parleur)
Les différents ordres de grandeur des signaux audio sont classifiés. L’élève apprendra à différencier le niveau micro (très faible), le niveau ligne (standard pour interconnecter les appareils) et le niveau haut-parleur (forte puissance), et à comprendre le rôle des préamplificateurs et des amplificateurs de puissance pour passer d’un niveau à l’autre.
DEUXIÈME PARTIE : L’OPTO-ÉLECTRONIQUE : L’INTERACTION DE LA LUMIÈRE ET DE L’ÉLECTRICITÉ 💡
L’opto-électronique est la branche de l’électronique qui étudie les composants capables d’émettre de la lumière à partir d’un signal électrique, de détecter la lumière pour la convertir en signal électrique, ou d’utiliser la lumière pour transmettre de l’information. Cette partie explore les technologies qui sont à la base de l’éclairage moderne, des capteurs, de l’énergie solaire et des télécommunications par fibre optique.
CHAPITRE 5 : LES COMPOSANTS ÉMETTEURS DE LUMIÈRE
5.1. La Diode Électroluminescente (LED)
La technologie de la LED est étudiée en détail. Le principe de l’émission de photons par recombinaison dans une jonction de semi-conducteur est rappelé. Les différents matériaux utilisés pour obtenir les diverses couleurs (GaN pour le bleu, AlGaAs pour le rouge) sont mentionnés.
5.2. Les LEDs haute luminosité et l’éclairage
Les avancées technologiques qui ont permis de passer de la simple LED de signalisation aux LEDs de puissance utilisées pour l’éclairage sont décrites. Les notions d’efficacité lumineuse (lumen par watt) et de gestion thermique sont introduites comme étant les enjeux clés de cette technologie.
5.3. La Diode Laser
La diode laser est présentée comme une source de lumière spéciale qui émet un faisceau cohérent (tous les photons sont en phase) et très directif. Sa structure, qui inclut une cavité optique résonante, est expliquée.
5.4. Les afficheurs à 7 segments
Un des usages les plus courants des LEDs est l’affichage numérique. La structure de l’afficheur à 7 segments est analysée. L’élève apprendra à différencier les modèles à anode commune et à cathode commune et à comprendre le principe de leur commande par un décodeur.
CHAPITRE 6 : LES COMPOSANTS PHOTOSENSIBLES (DÉTECTEURS DE LUMIÈRE)
6.1. La Photorésistance (LDR)
La technologie des photorésistances à base de sulfure de cadmium (CdS) est décrite. Leur principe, où l’énergie des photons libère des porteurs de charge et fait chuter la résistance, est expliqué. Leur simplicité les destine à des applications de détection de présence/absence de lumière.
6.2. La Photodiode
La photodiode est une jonction P-N optimisée pour la détection de lumière. L’élève apprendra qu’elle peut être utilisée en mode photovoltaïque (elle génère une tension comme une cellule solaire) ou en mode photoconducteur (polarisée en inverse, son courant de fuite est proportionnel à l’éclairement), ce dernier mode étant plus rapide et plus sensible.
6.3. Le Phototransistor
Le phototransistor est présenté comme une photodiode intégrée à un transistor. La lumière qui frappe la jonction base-collecteur génère un faible courant qui est ensuite amplifié par l’effet transistor. Il est donc beaucoup plus sensible qu’une simple photodiode.
6.4. Applications des détecteurs de lumière
Les multiples applications des photodétecteurs sont illustrées : lecteurs de codes-barres, récepteurs de télécommande infrarouge, capteurs de position, et systèmes de sécurité (barrières immatérielles), comme ceux qui pourraient être utilisés pour la surveillance du périmètre d’un entrepôt à Boma.
CHAPITRE 7 : LES COMPOSANTS PHOTOVOLTAÏQUES
7.1. L’effet photovoltaïque
L’effet photovoltaïque est expliqué comme la capacité d’une jonction P-N à convertir directement l’énergie lumineuse en énergie électrique. L’absorption de photons dans la jonction génère des paires électron-trou que le champ électrique interne sépare, créant ainsi une tension à ses bornes.
7.2. La technologie de la cellule solaire au silicium
La structure d’une cellule solaire typique est détaillée : une large jonction P-N, des contacts métalliques en forme de grille sur la face avant pour laisser passer la lumière, et un traitement de surface anti-reflet.
7.3. Caractéristiques d’une cellule solaire
La caractéristique courant-tension d’une cellule solaire sous éclairement est analysée. Les grandeurs clés sont définies : le courant de court-circuit (), la tension de circuit ouvert (), et le point de puissance maximale (MPP).
7.4. Du panneau solaire au système autonome
L’élève comprendra comment les cellules sont associées en série et en parallèle pour former un panneau solaire aux caractéristiques de tension et de courant désirées. Le schéma bloc d’un système solaire autonome (panneau, régulateur de charge, batterie, onduleur) est présenté comme une solution d’avenir pour l’électrification des zones rurales, par exemple dans la province de la Tshopo.
CHAPITRE 8 : L’ISOLATION OPTIQUE ET LA TRANSMISSION PAR FIBRE
8.1. L’opto-coupleur
L’opto-coupleur est étudié comme un composant d’interface fondamental. Sa structure (une LED et un phototransistor dans un même boîtier) est rappelée. Son rôle est de transmettre un signal entre deux circuits devant rester électriquement isolés (par exemple, entre la commande basse tension d’un automate et un circuit de puissance à 230V).
8.2. Principe de la transmission par fibre optique
La fibre optique est présentée comme un « guide de lumière » qui permet de transmettre des signaux sur de très longues distances avec très peu de pertes et une immunité totale aux parasites électromagnétiques. Le principe de la réflexion totale interne, qui confine la lumière dans le cœur de la fibre, est expliqué.
8.3. Les composants de la fibre optique
Les trois composants clés d’une liaison par fibre optique sont décrits : l’émetteur (une LED ou une diode laser qui convertit le signal électrique en lumière), la fibre optique elle-même, et le récepteur (une photodiode PIN ou à avalanche qui reconvertit la lumière en signal électrique).
8.4. Avantages et applications
Les avantages de la fibre optique (très large bande passante, faible atténuation, sécurité des données) sont synthétisés. Ses applications dans les réseaux de télécommunications à longue distance (comme l’interconnexion des grandes villes congolaises), l’internet à très haut débit et les réseaux locaux industriels sont mises en avant.
TROISIÈME PARTIE : LA RÉVOLUTION DU CIRCUIT INTÉGRÉ 💾
Cette partie plonge au cœur de la microélectronique, la technologie qui a rendu possible la révolution numérique. Le circuit intégré (CI) est présenté comme le fruit d’un processus de fabrication qui permet de graver et d’interconnecter des millions, voire des milliards, de transistors, de diodes et d’autres composants sur une minuscule pastille de silicium. L’élève y découvrira les secrets de cette fabrication et apprendra à classifier et à identifier les grandes familles de circuits intégrés.
CHAPITRE 9 : PROCÉDÉS DE FABRICATION DES CIRCUITS INTÉGRÉS
9.1. De la pastille de silicium au « wafer »
Le processus part d’un lingot de silicium monocristallin ultra-pur, qui est découpé en fines galettes appelées « wafers ». Ces wafers sont ensuite polis pour obtenir une surface parfaitement plane.
9.2. Les étapes clés : oxydation, photolithographie, gravure, dopage
Les étapes fondamentales du procédé planaire sont décrites de manière séquentielle : la croissance d’une couche d’oxyde de silicium, la photolithographie pour y dessiner des motifs, la gravure chimique pour ouvrir des fenêtres dans l’oxyde, et le dopage (par diffusion ou implantation) pour créer les zones P et N.
9.3. La métallisation et l’interconnexion
Après la fabrication des composants dans le silicium, il faut les connecter entre eux. Les étapes de métallisation (dépôt d’une fine couche d’aluminium ou de cuivre) et de gravure de cette couche pour former les pistes d’interconnexion sont expliquées.
9.4. Test, découpe et encapsulation
À la fin du processus, tous les circuits sur le wafer sont testés électriquement. Ceux qui fonctionnent sont ensuite découpés, et chaque « puce » (die) est fixée sur un support et connectée à des broches externes, avant d’être encapsulée dans un boîtier en plastique ou en céramique.
CHAPITRE 10 : LES FAMILLES DE CIRCUITS INTÉGRÉS LOGIQUES
10.1. Le concept de famille logique
Une famille logique est un ensemble de circuits intégrés qui partagent la même technologie de fabrication et les mêmes caractéristiques électriques (tensions d’alimentation, niveaux logiques), ce qui garantit leur compatibilité.
10.2. La famille TTL (Transistor-Transistor Logic)
La famille TTL historique, basée sur des transistors bipolaires, est présentée. Ses caractéristiques (alimentation 5V, rapidité, consommation) et sa nomenclature (série 74xx) sont décrites.
10.3. La famille CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)
La technologie CMOS, qui utilise des paires de transistors MOSFET complémentaires, est étudiée comme étant la technologie dominante aujourd’hui. Ses avantages (très faible consommation statique, large plage de tension d’alimentation) sont mis en avant. Sa nomenclature (série 4000, 74HCxx) est présentée.
10.4. L’intégration à grande échelle (LSI, VLSI, ULSI)
L’évolution de la densité d’intégration est classifiée. L’élève apprendra les définitions de LSI (Large Scale Integration), VLSI (Very Large Scale) et ULSI (Ultra Large Scale), qui décrivent le passage de quelques milliers à plusieurs milliards de transistors par puce, rendant possible la création de microprocesseurs et de mémoires.
CHAPITRE 11 : LES CIRCUITS INTÉGRÉS LINÉAIRES (AMPLI-OP, RÉGULATEURS)
11.1. L’amplificateur opérationnel (Ampli-Op)
L’ampli-op (ex: le µA741) est présenté comme le circuit intégré analogique le plus polyvalent. C’est un amplificateur différentiel à très haut gain, dont le comportement est défini par les composants externes qui lui sont connectés.
11.2. Les régulateurs de tension intégrés
Les régulateurs de tension (ex: le 7805) sont étudiés comme des circuits intégrés qui simplifient radicalement la conception des alimentations. Ils intègrent la référence de tension, l’amplificateur d’erreur, le transistor de puissance et les protections.
11.3. Les temporisateurs (NE555)
Le NE555 est un circuit intégré extrêmement populaire et polyvalent, capable de fonctionner en oscillateur (mode astable) ou en minuterie (mode monostable). Ses applications pour la génération de signaux d’horloge ou la création de temporisations sont illustrées.
11.4. Les convertisseurs de données (CAN / CNA)
Les convertisseurs analogique-numérique (CAN) et numérique-analogique (CNA) sont les interfaces indispensables entre le monde analogique et le monde numérique. Leur rôle dans les systèmes d’acquisition de données, l’audio numérique ou la commande de processus est expliqué.
CHAPITRE 12 : BOÎTIERS ET MARQUAGE DES CIRCUITS INTÉGRÉS
12.1. Les boîtiers traversants (DIL/DIP)
Le boîtier DIL (Dual In-Line) ou DIP (Dual In-line Package) est le format traditionnel pour les composants à insérer dans des trous de circuit imprimé. Sa structure et la convention de numérotation de ses broches sont décrites.
12.2. Les boîtiers à montage en surface (CMS/SMD)
Les boîtiers CMS (Composants Montés en Surface) ou SMD (Surface Mount Devices), comme les SOIC, QFP ou BGA, sont présentés comme le standard actuel. Leur petite taille et l’absence de broches traversantes permettent une très haute densité de composants.
12.3. Le marquage des circuits intégrés
L’élève apprendra à décoder les informations imprimées sur le boîtier d’un circuit intégré : la référence du composant (qui identifie sa fonction), le logo du fabricant, et souvent un « date code » qui indique la date de fabrication.
12.4. Justification de l’utilisation des CI
Ce sous-chapitre synthétise les raisons du succès des circuits intégrés : miniaturisation, réduction des coûts, augmentation de la fiabilité, amélioration des performances et simplification de la conception des systèmes électroniques.
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 et quelques portes logiques de base de la série 74HC.
2. Guide sur les Précautions de Manipulation des Composants
Un guide pratique rappellerait les précautions à prendre lors de la manipulation des composants électroniques modernes, en particulier la protection contre les décharges électrostatiques (ESD) pour les circuits intégrés CMOS, qui sont très sensibles.
3. Tableau Comparatif des Familles Logiques
Un tableau synthétique comparerait les caractéristiques des principales familles logiques (TTL, CMOS, LVCMOS), en se basant sur des critères clés comme la tension d’alimentation, la consommation, la vitesse de commutation et l’immunité au bruit.
4. Introduction à la Lecture de Fiches Techniques (Datasheets) de CI
Ce complément guiderait l’élève dans la lecture d’une fiche technique de circuit intégré. Il apprendrait à y retrouver les informations essentielles : le schéma fonctionnel, les brochages, les « Absolute Maximum Ratings », les caractéristiques électriques et les schémas d’application typiques.