Chapitre 0: Gnralits sur llectronique

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Chapitre 0 Généralités sur lÉlectronique
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Définition de l'électronique
Plus les applications de l'électronique se
diversifient, plus il est difficile d'en donner
une définition exacte et de circonscrire son
domaine. On peut dire qu'elle est l'ensemble des
techniques et des sciences utilisant les
propriétés des courants d'électrons et, plus
généralement, de certaines particules chargées en
vue de saisir, de traiter, et de transmettre des
données.
La commission de l'électrotechnique
internationale (CEI) définit l'électronique comme
La partie de la science et de la technique qui
étudie les phénomènes de conduction dans le vide,
dans les gaz ou dans les semi-conducteurs et qui
utilise les dispositifs basés sur ces phénomènes.
Par extension, nous pouvons dire que
l'électronique est l'ensemble des techniques qui
utilisent des signaux électriques pour capter,
transmettre et exploiter une information. Une
exception est l'électronique de puissance
utilisée pour la conversion électrique-électrique
de l'énergie
6GEN341 Électronique
R. Beguenane, UQAC, 2003/2004
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Généralités sur lÉlectronique
Champ dapplication
Le champ d'application des dispositifs
électroniques est vaste. Le tableau ci-dessous en
donne un aperçu
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Généralités sur lÉlectronique
Définition simpliste de l'électronique
Lors de la maintenance nous simplifions encore la
définition de l'électronique, en utilisant ce
terme pour désigner tous les appareils, réalisés
avec des circuits électroniques remplis de
composants électroniques. Tous les appareils ont
besoin d'une source d'énergie qui est appelée
alimentation.
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Généralités sur lÉlectronique
Information et signal électrique
Il n'est pas aisé de donner une définition simple
et univoque sur le mot information, car il touche
notre perception de la connaissance "des choses"
qui nous entourent. Ce terme est utilisé dans un
très grand nombre de domaines et (...) peut être
envisagé sur plusieurs niveaux Formel,
mathématique, sémantique, psychologique ou
philosophique.
Le niveau formel ne prend en compte que la nature
du support de l'information, donc son apparence.
Cette apparence, pour un technicien de
l'électronique, est une grandeur électrique
transportant un flux continu ou discret de
messages, codés ou non codés.
Le niveau mathématique est celui où l'on
s'intéresse à une mesure objective du débit réel
de l'information et aux moyens possibles
d'améliorer l'efficacité et la sécurité d'un
transfert ou d'un stockage d'informations.
Le niveau sémantique, qui touche à la
signification d'un message, le niveau
psychologique, qui concerne l'effet émotionnel
(donc subjectif) de l'information, et le niveau
philosophique, qui trait à l'origine de la
connaissance et de l'intelligence, ne sont pas
interprétables en termes techniques, et ne sont
donc pas pris en considération ici.
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Généralités sur lÉlectronique
L'électronique réussi très souvent à répondre aux
besoins demandés par les problèmes relatifs à
l'information qui sont d'ordre d'acquisition,
de transmission, de traitement et de
l'exploitation de l'information.
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Généralités sur lÉlectronique
Une solution efficace aux problèmes demandés,
grâce aux circuits (montages ou appareils)
électroniques est avant tout due aux facteurs
suivants

• La rapidité de propagation des phénomènes
  électromagnétiques
• Le fait que cette propagation peut se passer de
  support matériel
• La facilité avec laquelle la plupart des
  grandeurs physiques peuvent être traduites sous
  forme électrique
• La rapidité d'exécution des dispositifs
  électroniques
• L'extrême variété des fonctions électroniques
  réalisables
• - La miniaturisation offerte par les technologies
  microélectroniques (bientôt nano?)

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Généralités sur lÉlectronique
Sources de lInformation
Le flux d'informations traité en électronique
provient de sources différentes. Il concerne
principalement l'observation (mesure) de
phénomènes physiques et le dialogue
(communication) entre êtres humains, entre l'être
humain et la machine ou entre les machines
elles-mêmes.
Les sources primaires d'informations peuvent se
grouper en quatre catégories
L'être humain --gt Voix, image, geste, ... La
machine --gt Informations de contrôle, résultats
de calculs, ... Les banques d'informations --gt
Livres, disques, bandes magnétiques, mémoires
d'ordinateurs, ... L'environnement naturel --gt
Phénomènes physiques observés, ...
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Généralités sur lÉlectronique
Ces informations se présentent initialement sous
des formes très diverses Optique, acoustique,
mécanique, magnétique, thermique, etc. Leur
traitement par des moyens électriques implique
une traduction (parfois transduction) préalable.
Pour un technicien, un signal électrique est la
représentation physique d'une information qui
transite de sa source jusqu'à son destinataire.
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Généralités sur lÉlectronique
Signaux analogique et numérique
Nous parlons de signal analogique lorsque
l'information produite par la source dispose
d'une variation ou d'une gamme continue de
nuances. Il peut prendre une infinité de valeurs
différentes dans une plage donnée et se transmet
continuellement dans l'axe temps.
Nous parlons de signal numérique lorsque
l'information produite par la source est
représentée par un système conventionnel de
signes distincts, ou de grandeurs électriques
fixées à l'avance et limitées à très peu de
valeurs (0V et 5V, par exemple).
A chaque information correspond un état propre du
signal. Un signal numérique, généralement
binaire, peut-être transmis de manière
séquentielle. Cela permet, par exemple, de le
"mélanger" à d'autres informations comme les
corrections d'erreurs, ou autres.
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Généralités sur lÉlectronique
Capteurs, Transducteurs et Actuateurs
Ces termes désignent d'une manière générale les
dispositifs permettant la conversion d'une forme
d'énergie en une autre forme d'énergie. Les
signaux traités dans les systèmes électroniques
proviennent de diverses sources d'informations
telles que la température, la lumière, le son,
etc. Chaque source représentant en fait un
phénomène physique propre.
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Généralités sur lÉlectronique
Un transducteur est un dispositif de conversion
d'énergie dont au moins l'une des deux est
électrique. Un capteur est un transducteur qui
transforme un phénomène physique
(obligatoirement) en une grandeur électrique. Un
actuateur, appelé également actionneur, est un
transducteur assurant la transformation inverse
du capteur.
Souvent les phénomènes impliqués sont semblables
aux deux conversions, l'une près de la source et
l'autre près du destinataire, nous disons que les
phénomènes sont réversibles.
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Généralités sur lÉlectronique
Pour une chaîne de mesure ou tout autre système
de traitement et de transmission d'informations,
les capteurs en sont les composants initiaux.
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Généralités sur lÉlectronique
Définition de l'électrotechnique
En plus de la science qui étudie les phénomènes
électriques et les lois qui s'y rapportent, le
terme d'électrotechnique peut être compris dans
une acceptation récente signifiant
Utilisation technique de l'électricité, soit en
tant que support d'énergie, soit en tant que
support d'information. Nous pouvons regrouper
les applications de l'électricité en deux
domaines principaux, soit celui du traitement de
l'énergie et celui du traitement de l'information.
Le traitement de l'énergie recouvre les
techniques de la production, de la distribution
et de l'utilisation de l'énergie électrique. Le
traitement de l'information comprend les
techniques d'acquisition, de transmission
(télécommunication) et d'exploitation de
l'information portée par des signaux électriques.
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Généralités sur lÉlectronique
L'étude des phénomènes liés à l'électricité
appartient à la physique, une science
fondamentale qui a pour objectif de comprendre la
structure et les propriétés de la matière, et de
dégager, à partir de l'expérience, des lois aussi
générales et universelles que possible.
L'application pratique de ces lois permet ensuite
de réaliser des dispositifs et appareils utiles
au commun des mortels. Ainsi l'électronique a une
vocation de produire des objets c'est avant
tout, en dépit de sa proximité avec une science
"pure et dure", une technique.
La principale différence entre l'électronique et
l'électricité réside dans le fait que les
composants électroniques (diodes, transistors,
circuits intégrés...) sont réalisés à l'aide d'un
matériau conducteur particulier, appelé
semi-conducteur (silicium pour l'essentiel), au
lieu des métaux et alliages traditionnels
utilisés en électricité (cuivre...).
La conduction électrique, dans les composants
électroniques, peut par conséquent être contrôlée
de manière infiniment plus subtile et
sophistiquée que dans les composants
"classiques". En caricaturant un peu, on dira que
les composants électriques sont commandés en
"tout ou rien" à l'aide d'interrupteurs (on
allume, on éteint...), tandis que les composants
électroniques sont commandés par des signaux
électriques dont on peut faire varier très
précisément les paramètres. Qui plus est, les
composants électroniques se distinguent par une
miniaturisation très poussée et des courants très
faibles, alors que la plupart des composants
électriques demeurent souvent assez
encombrants...
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Généralités sur lÉlectronique
Malgré ces différences non négligeables, les
composants électroniques ne dérogent pas aux lois
générales de l'électricité. La connaissance des
principales lois fondamentales de l'électricité
(lois de Kirchhoff, d'Ohm, de Joule...) s'avère
donc incontournable pour quiconque souhaite
s'initier à l'électronique. Par chance, ce sont
des lois extrêmement simples à conceptualiser et
faciles à mémoriser!
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Généralités sur lÉlectronique
Historique de l'électronique
Ainsi de part la définition de lÉlectronique,
i.e. l'ensemble des techniques et des sciences
utilisant les propriétés des courants d'électrons
et, plus généralement, de certaines particules
chargées en vue de saisir, de traiter, et de
transmettre des données, l'histoire de
l'électronique est donc initialement liée à celle
de l'électron Dou le nom Électronique.
l'électron En 1897, le savant britannique Joseph
Thomson met un terme à de nombreuses années de
polémiques en fournissant la preuve que, dans des
conditions spéciales, les atomes émettent des
particules plus petites qu'eux Jusqu'à cette
date, l'atome était considéré comme la plus
petite parcelle de matière. Afin de désigner ces
particules, dont il détermine certaines
caractéristiques physiques, Thomson utilise le
mot électron.
À partir de ces remarquables résultats, les
physiciens élaborent une théorie, dite
électronique, de la matière. Celle-ci serait
faite d'atomes, eux-mêmes constitués de deux
types de particules l'électron (de charge
électrique négative) et le proton (chargé
positivement). Leur agencement dans l'édifice
atomique a donné lieu à de très nombreuses
représentations. On s'accorde aujourd'hui à
considérer que celle du Danois Niels Bohr rend
compte d'une façon satisfaisante de la plupart
des phénomènes chimiques et électriques.
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Historique de l'électronique
Le modèle atomique de Bohr Selon cette
représentation, l'atome se compose d'un noyau
central autour duquel se déplacent les électrons,
animés d'un mouvement comparable à celui des
planètes autour du Soleil. Le noyau contient les
protons et, comme le Britannique James Chadwick
devait le démontrer en 1932, des neutrons
(particules électriquement neutres). Il convient
d'insister sur le rôle extrêmement important des
électrons les plus externes qui déterminent la
réactivité chimique de l'élément étant
relativement éloignés du noyau, ces corpuscules
négatifs sont soumis à des forces
électrostatiques faibles, et peuvent dans
certains cas se soustraire à cette attraction.
Ils se déplacent alors librement entre les
atomes leur circulation, qui constitue le
courant électrique, est à la base de nombreux
phénomènes physiques.
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Historique de l'électronique
Le tube de Crookes Les travaux de Thomson ne
sont pas totalement originaux ils ont pour point
de départ les observations décisives faites, une
vingtaine d'années auparavant, par quelques
savants. Parmi ceux-ci, le physicien anglais
William Crookes occupe une place essentielle.
En 1878, reprenant les travaux de l'Allemand
Wilhelm Hittorf (1824-1914), Crookes utilise, au
départ, une ampoule de verre dans laquelle il
crée un vide gazeux très poussé dans cette
enceinte, le physicien fixe deux plaques
métalliques (électrodes) entre lesquelles il
établit une différence de potentiel électrique.
Il fait alors la même constatation que son
collègue un courant électrique circule entre les
électrodes. Mais, au cours d'une expérience,
Crookes fait intervenir un facteur nouveau et
décisif qui va le mener à une conclusion
d'importance capitale. Plaçant le tube entre les
pôles d'un aimant puissant, il constate que le
rayonnement est dévié de sa direction primitive.
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Historique de l'électronique
L'existence de l'électron est avérée Cette
sensibilité à l'action d'un champ magnétique
permet au physicien de prouver la nature
corpusculaire du rayonnement étudié. Décrivant
ses expériences, il note avec justesse Nous
semblons avoir à notre portée et soumis à notre
contrôle les minuscules particules indivisibles,
dont on a de sérieuses présomptions de penser
qu'elles constituent la base de la physique de
l'univers. Effectivement, ce rayonnement, dit
cathodique parce que toujours issu de l'électrode
négative (cathode), est un flux de corpuscules
porteurs d'électricité négative auxquels on
donnera le nom d'électrons.
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Historique de l'électronique
L'effet Edison D'autres constatations, d'un
intérêt scientifique considérable, ont parfois
été l'uvre d'inventeurs aux préoccupations fort
éloignées de la recherche théorique. Ainsi de
l'Américain Thomas Edison, qui avait réalisé,
en 1879, la première lampe électrique à filament
de carbone. Ses ampoules présentaient cependant
l'inconvénient non négligeable de noircir à
l'usage. En 1883, alors qu'il tente de déceler
l'origine de ce défaut, Edison remarque que, dans
certaines conditions de pression et de voltage,
une lueur de couleur bleue apparaît à l'intérieur
de la lampe. Quelques observations lui permettent
d'en attribuer l'origine à un courant qui circule
entre les deux fils d'alimentation du filament de
carbone. Ce phénomène, appelé par la suite effet
Edison, ne reçoit de véritable explication qu'au
début du XXe siècle, grâce aux travaux de Thomson
et d'un de ses disciples, Owen Richardson. Le
premier démontre que la lueur colorée observée
dans un tube (ou une lampe) contenant de l'air
raréfié ou un gaz quelconque est due au passage
des électrons de la cathode à l'électrode
positive (anode). Richardson applique les
résultats recueillis par son professeur à l'effet
Edison, et établit que les électrons sont émis
par le filament incandescent. En 1903, il
développe la théorie de ce phénomène physique
jusqu'alors inconnu l'émission thermoïonique
d'électrons par les métaux.
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Historique de l'électronique
La diode de Fleming En 1904, les recherches
suscitées par la technique de la téléphonie sans
fil allaient permettre la réalisation du premier
dispositif électronique la diode. À cette
époque, la réception des ondes, porteuses du
message sonore, nécessite une opération délicate
analogue à un filtrage. Parvenues à la station
réceptrice, ces ondes engendrent un courant
électrique alternatif qui n'a aucune utilité
pratique afin d'assurer le fonctionnement
correct d'un écouteur, il doit être transformé en
courant continu  ce qui revient à ne laisser
passer le courant alternatif produit que dans un
sens. Cette fonction de redressement était
jusqu'alors confiée à un appareillage peu
efficace et délicat à mettre en uvre le
cohéreur.
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Historique de l'électronique
Un redresseur fondé sur l'effet Edison L'idée de
recourir à l'effet Edison pour redresser le
courant alternatif est émise pour la première
fois par le Britannique John Fleming. Celui-ci
place deux plaques métalliques à l'intérieur
d'une lampe vide de tout gaz l'une (la cathode)
est rendue électriquement négative par rapport à
l'autre (l'anode). Chauffée au moyen d'une
batterie annexe, la cathode constitue une source
d'électrons, lesquels, porteurs d'une charge
électrique négative, sont attirés par l'anode où
ils sont recueillis, et où leur déplacement
engendre un courant électrique continu. Leur
migration n'a lieu que de la cathode vers l'anode.
Si l'on relie les fils d'alimentation à un
courant alternatif changeant de sens un grand
nombre de fois par seconde, le véritable intérêt
du dispositif de Fleming est mis en évidence. La
lampe, ne fonctionnant que lorsque la tension de
l'anode est supérieure à celle de la cathode
(soit une fois sur deux dans le cas envisagé), se
comporte alors comme un redresseur vis-à-vis du
courant alternatif elle le laisse passer quand
le potentiel est positif, et l'arrête quand il
est négatif. Ce type de lampe est également connu
sous le nom de diode, ou encore de valve
électrique.
Un usage universel Cette fonction de redressement
devait connaître par la suite de nombreuses
applications transformation du courant
alternatif en courant continu (pour la charge des
batteries, pour le fonctionnement d'un écouteur
téléphonique ou d'un appareil enregistreur),
détection d'ondes hertziennes (radiodiffusion,
télévision), etc.
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Historique de l'électronique
La triode de De Forest Durant l'année 1907,
l'Américain Lee De Forest apporte toute son
attention à la mise au point d'un détecteur de
signaux radiotélégraphiques plus perfectionné que
la diode de Fleming. Au cours d'une expérience,
ce savant a l'idée d'introduire, entre les deux
plaques de métal, une troisième électrode en
forme de grille, faite d'un réseau de fils
métalliques à mailles assez lâches. Avec
surprise, il constate qu'il peut agir sur le
débit du courant qui traverse la diode uniquement
en faisant varier la tension électrique appliquée
à cette grille. L'interprétation de ce phénomène
peut être faite en termes simples lorsque la
grille est rendue positive par rapport à la
cathode, elle attire les électrons émis par cette
dernière, et ceux-ci poursuivent normalement leur
course jusqu'à l'anode mais si la grille est
rendue suffisamment négative, les électrons sont
repoussés, et cette troisième électrode s'oppose
au passage de tout courant. Cette méthode de
contrôle du courant au moyen d'une grille est
beaucoup plus efficace et nettement plus sensible
que le chauffage variable imposé par Fleming à sa
cathode
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Historique de l'électronique
La triode redresseur et amplificateur Le tube
que De Forest nomme tout d'abord audion, puis
triode, est un élément fondamental de
l'électronique moderne. Il permet notamment
l'amplification des courants électriques. On
constate, en effet, qu'une faible variation du
voltage de la grille suffit à provoquer une
importante modification du courant obtenu à
l'anode la triode redresse les courants
alternatifs (comme la diode), et en outre elle
les amplifie. La grille joue en quelque sorte le
même rôle qu'un robinet, dont la manuvre n'exige
que fort peu d'énergie, et qui contrôle le débit
d'une énorme quantité d'eau.
L'utilisation de la triode dans les mesures Ce
phénomène d'amplification est mis à profit chaque
fois qu'il s'agit de rendre perceptible aux sens
de l'homme un phénomène quelconque, indécelable
tel quel. C'est le cas de toute mesure où le
recours à l'électronique a provoqué des progrès
extraordinaires. C'est aussi le cas des
télécommunications, où les informations à
transmettre sont converties en un courant
électrique ce dernier, acheminé soit par câbles,
soit par ondes hertziennes, parvient à
destination avec une intensité très affaiblie.
Afin de restituer l'information originale sous
une forme perceptible pour l'homme, ce courant
est systématiquement amplifié par un dispositif
électronique approprié. Enfin, cette possibilité
de multiplier dans d'importantes proportions la
valeur d'un courant électrique est utilisée dans
de nombreux domaines (télécommande, téléguidage,
automation, etc.) pour le contrôle à distance
d'engins puissants.
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Historique de l'électronique
Quelques améliorations notables À la suite de la
triode, divers tubes électroniques capables des
fonctions les plus variées sont mis au point.
L'une des premières améliorations apportées
consiste à modifier la source d'électrons un
filament, connecté directement à la source de
courant  et non plus à une batterie annexe ,
assure désormais le chauffage de la cathode de
plus, celle-ci est faite d'un alliage de métaux
particulièrement riches en électrons.
L'introduction de grilles supplémentaires entre
la cathode émettrice et l'anode réceptrice (en
plus de la grille de commande) permet d'accroître
la qualité et la durée de fonctionnement des
tubes à vide, ainsi que leur sensibilité
L'étude du rôle de la forme des électrodes, et
celle de l'influence des champs électrique et
magnétique sur le flux d'électrons, a conduit à
une parfaite maîtrise de ce flux. En outre, les
travaux effectués dans ce domaine ont eu comme
prolongements la production d'ondes de haute
fréquence, nécessaires aux télécommunications, et
la possibilité d'accélérer des particules
atomiques jusqu'à des vitesses proches de celle
de la lumière.
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Historique de l'électronique
Réalisations contemporaines En 1948, les
chercheurs américains John Bardeen, Walter
Brattain et William Shockley mettent au point un
dispositif qui révolutionne l'électronique, et
que l'on substitue dans de nombreux domaines aux
tubes à vide. C'est en étudiant les
caractéristiques d'éléments semi-conducteurs dont
la conductibilité électrique se situe entre celle
des isolants, comme le verre et le mica, et celle
des bons conducteurs, comme le cuivre et
l'argent, que ces physiciens réalisent un nouvel
élément amplificateur le transistor celui-ci
présente de nombreux avantages par rapport aux
tubes classiques inutilité du courant de
chauffage, faible tension d'alimentation (une
dizaine de volts contre deux ou trois cents pour
un tube), dimensions réduites. On peut dès lors
parvenir à une miniaturisation de l'appareillage
électronique.
Les circuits intégrés Plus récemment, cette
nouvelle technologie s'est développée et a rendu
possible une diminution accrue de l'encombrement
des composants électroniques. Jusqu'à cette
découverte, tout circuit électronique était formé
d'éléments distincts fabriqués séparément, puis
connectés par des fils ou des bandes de cuivre
imprimées sur un support isolant (technique des
circuits imprimés). Un circuit intégré, au
contraire, est réalisé à partir d'un bloc
monolithique de semi-conducteur (germanium,
silicium, etc.), dans lequel on a créé tous les
éléments de base du circuit électronique par la
simple addition d'éléments étrangers jouant le
rôle d'impuretés. On parvient ainsi à une
extraordinaire miniaturisation du matériel