Électronique de puissance

L'électronique de puissance est l'une des branches de l'électrotechnique, elle concerne les dispositifs (convertisseurs) permettant de changer la forme de l'énergie électrique. Elle comprend l'étude, la réalisation, la maintenance  :

• des composants électroniques utilisés en forte puissance
• des structures des convertisseurs
• de la commande de ces convertisseurs
• des applications industrielles de ces convertisseurs

Présentation de l'électronique de puissance

L'électronique de puissance, que l'on devrait d'ailleurs nommer « électronique de conversion d'énergie » a moins de 50 ans. Elle a connu un tel essor qu'aujourd'hui près de 15 % de l'énergieélectrique produite est convertie sous une forme ou une autre. Au cours de ces années la taille, le poids et le coût des convertisseurs n'ont fait que diminuer, en grande partie grâce aux progrès faits dans le domaine des interrupteurs électroniques.

C'est une électronique de commutation : elle tire parti du fait qu'un interrupteur parfait fermé (résistance nulle, tension aux bornes nulle) ou ouvert (résistance infinie, courant traversant nul) ne dissipe aucune énergie, donc ne présente aucune perte.

Lorsqu'il est associé à des éléments de filtrage passifs et purement réactifs (c.-à-d. sans aucune résistance interne), il permet théoriquement de modifier la tension et/ou le courant sans perte, donc de réaliser une conversion de tension ou de courant en conservant l'énergie.

Ce but est atteint en découpant la tension et/ou le courant à très haute fréquence (par rapport à la fréquence d'entrée ou de sortie du convertisseur) et en lissant le résultat obtenu pour en extraire la valeur moyenne. En pratique on doit s'attendre à des pertes de l'ordre de 2 à 10 % dues à l'imperfection des éléments physiques qui le constituent.

Cela justifie l'essor de ce type d'électronique de puissance dans les systèmes à haute puissance puisque les pertes raisonnables permettent une évacuation de la chaleur générée sans recourir à des moyens extrêmes et coûteux. Mais au fil du temps l'électronique de puissance s'est imposée dans tous les domaines où les pertes doivent rester faibles pour limiter l'échauffement comme dans les ordinateurs, et où le rendement doit être élevé pour préserver la source d'énergie comme dans les systèmes alimentés par batteries (GSM, GPS, ordinateurs portables ...

Rappelons qu'un convertisseur de puissance de rendement unitaire (sans pertes) ne peut être constitué que d'interrupteurs idéaux et de dipôles purement réactifs donc sans la moindre résistance parasite : condensateurs et inductances. Les dipôles réactifs sont des éléments de stockage d'énergie dont la taille (et donc le coût) est inversement proportionnelle à la fréquence de fonctionnement.

En plus des applications traditionnelles de l'électronique de puissance comme la traction électrique et les entraînements industriels, il est apparu de nouveaux domaines d'application :

• La gestion du réseau de distribution :
  • FACTS : Systèmes de Transmission Flexible en Courant Alternatif,
  • Filtrage actif et amélioration du facteur de puissance,
  • HVDC : Transmission en courant continu HTA.
• L'électroménager :
  • variateurs divers,
  • alimentations à découpage,
  • plaques de cuisson à induction.
• Les appareils portables (caméscopes, ordinateurs, etc.) :
  • chargeurs d'accumulateurs intelligents,
  • conversion CC / CC TBT.
• L'automobile : très forte augmentation de l'utilisation de l'énergie électrique dans les automobiles actuelles et en perspective : il y aura un très gros marché au moment du passage prévu, (mais retardé ?) en 42 V, les véhicules hybrides,

Pour en savoir plus sur l'électronique de puissance suivez des cours d'électronique.

Électronique numérique

Présentation de l'électronique numérique

L'électronique numérique est un domaine scientifique s'intéressant aux systèmes électroniques dont les états parcourent un ensemble fini de possibilités.

Le déterminisme dans les changements d'état (transitions) permet de disposer de systèmes qui se comportent de manière stable et fiable. L'électronique numérique permet en particulier de s'affranchir de parasites et autre déformations.

Ce type d'électronique numérique est opposé à l'électronique analogique, qui, elle, traite des systèmes électroniques opérant sur des grandeurs (tension, courant, charge) variant de manière continue.

Le système binaire de l'électronique numérique

Pour éviter les confusions de lecture que peuvent créer les parasites, une des méthodes possibles est de minimiser les ambiguïtés en minimisant le nombre d'états distincts que peut prendre un signal.

Ce minimum possible est 2.

Le système numérique permettant 2 états différents par numéro se nomme « binaire ».

Les états peuvent être notés FAUX / VRAI ou 0 / 1 par exemple.

Ils peuvent correspondre à des tensions 0V / +Vcc ou -Vcc / +Vcc par exemple.

Les transitions entre états résultent de portes logiques réalisant des opérations ou fonctions logiques telles le ET, le OU, etc. (voir algèbre de Boole).

On utilise ce type d'électronique numerique pour réaliser des circuits de commutation qui, en raison de leur simplicité, ont le mérite de présenter de très faibles coûts et, donc permettent la réalisation de systèmes logiques très complexes pour des prix dérisoires.

En fonction de leur gamme de tolérance et, aussi longtemps qu'on continue à pouvoir distinguer un état 0 d'un état 1, la fréquence du signal d'horloge peut être augmentée.

Pour en savoir plus sur l'électronique numérique voyez les cours d'électronique.

Électronique analogique

L'électronique analogique est la discipline traitant des systèmes électroniques opérant sur des grandeurs (tension, courant, charge) à variation continue.

L'électronique analogique diffère de l'électronique numérique dans laquelle ces dernières sont quantifiées. On emploie le terme « analogique » car les grandeurs électriques utilisées sont à l'image du signal à traiter (analogues).

Description de l'électronique analogique

Le terme d'électonique analogique est souvent associé à un contexte électrique, mais d'autres systèmes tels que la mécanique, la pneumatique, l'hydraulique, etc., peuvent également employer des signaux analogiques.

Signaux analogiques, signaux numériques

L'information n'est pas codée de la même façon dans les circuits analogiques et numériques. Les systèmes numériques utilisent la quantification et un codage de l'information tandis que les systèmes analogiques travaillent sur des valeurs à variation continue dont la richesse du contenu n'est pas limitée par un échantillonnage quelconque.

Historiquement, les premiers systèmes électroniques étaient de type analogique. Ceux-ci avaient en effet une structure plus simple. Une même fonction était réalisée avec moins de composants en analogique qu'en numérique.

Les progrès de l'intégration et l'essor de la micro-électronique ont favorisé le développement de l'électronique numérique. La plupart des systèmes électroniques actuels intègrent des systèmes numériques et des systèmes analogiques. Si la part de l'analogique se réduit au profit du numérique, l'électronique analogique reste cependant incontournable dans un certain nombre d'applications.

Le principal intérêt de l'électronique numérique est sa simplicité de fonctionnement qui rend son comportement très prédictible. Les règles de quantification et le synchronisme (dans les circuits synchrones) permettent de construire aisément des systèmes complexes et fiables. L'intégration a rendu cela possible et peu coûteux.

Bruit et précision

Grâce à leur quantification, les circuits numériques limitent l'impact du bruit. C'est l'avantage du codage par « tout ou rien ». Les signaux analogiques étant continus, ils sont obligatoirement soumis à une incertitude due au fait que les signaux physiques sont convoyés par des charges discrètes. Par contre, la quantité d'information convoyée sur un seul fil est plus grande (à fréquence constante).

L'immunité au bruit des circuits numériques est très intéressante en traitement du signal. Elle permet en particulier d'atteindre des dynamiques importantes puisque celle-ci n'est limitée que par le nombre de « fils » utilisés pour convoyer le signal. En analogique c'est le ratio entre le niveau de saturation et le niveau de bruit qui l'impose.

Le bruit étant un phénomène physique, il reste présent dans les circuits numériques. Il s'agit même d'un problème important dans les circuits récents, qui combinent les difficultés : de petits composants, de faibles tensions d'alimentations et des fréquences élevées. Le bruit est à origine de phénomènes pouvant mettre en défaut les circuits numériques (gigue, glitches), là où les systèmes analogiques ne subissent la plupart du temps qu'un dysfonctionnement passager ou une dégradation de leur performance.

Intégration

Bien que les circuits numériques comportent un grand nombre de composants et de nœuds, ils sont souvent plus petits que les circuits analogiques car ils se prêtent mieux à l'intégration. Dans le domaine du traitement de l'information, il est moins exigeant pour un transistor de fonctionner en binaire (bloqué/saturé c'est-à-dire commutateur fermé/ouvert) qu'en linéaire (amplificateur). Les circuits numériques sont petits et plus faciles à concevoir que les systèmes analogiques. L'électronique numérique permet la conception de circuits extrêmement complexes tels que les processeurs à un coût modéré.

Domaines d'utilisation de l'électronique analogique

Bien que l'électronique numérique soit actuellement très répandue, les systèmes analogiques sont encore largement présents et indispensables. Ils peuvent être regroupés dans différentes familles :

• les capteurs : la plupart des capteurs génèrent des signaux analogiques représentant la grandeur physique à mesurer ;
• les circuits d'instrumentation : les chaînes d'acquisition permettent le pré-traitement et l'amplification des signaux analogiques souvent faibles provenant de capteurs : on parle de systèmes d'instrumentation ;
• les calculateurs : au milieu du XX^e siècle, les calculateurs analogiques ont permis de réaliser des opérations mathématiques en manipulant des signaux analogiques. Ils ont été rapidement supplantés par l'ère numérique, néanmoins on trouve toujours des circuits pouvant réaliser de telles opérations : l'amplificateur opérationnel ;
• les filtres : on utilise encore beaucoup le filtrage analogique lorsque les filtres numériques, implémentés sur DSP ou FPGA sont ou trop lents (circuits HF) ou trop lourds à mettre en œuvre. Le filtre le plus simple et le plus connu est probablement le filtre RC ;
• les circuits d'amplification électronique : ils permettent la mise en forme de signaux analogiques pour être directement utilisables par des actionneurs : l'amplificateur électronique ;
• les actionneurs : une grande partie des actionneurs utilisent des signaux analogiques en tant que commande, bien que ceux-ci soient généralement associés à l'alimentation en énergie du système : moteur électrique, haut-parleur, etc. ;
• les convertisseurs : enfin il existe des systèmes de conversion analogique ↔ numérique que l'on peut qualifier de mixte : CAN, CNA, MLI ;
• les oscillateurs : circuits générant un signal alternatif à une fréquence fixée. À l'heure actuelle, l'oscillateur contrôlé en tension ou VCO est un circuit analogique très répandu du fait de son utilisation dans les boucles à verrouillage de phase (PLL) et à verrouillage de délai (DLL). Les oscillateurs sont également très utilisés pour les circuits radiofréquence.

 Pour en savoir plus sur l'électronique analogique, suivez des cours d'électronique.

Photocoupleur

Un photocoupleur (ou optocoupleur) est un composant électronique capable de transmettre un signal d'un circuit électrique à un autre, sans qu'il y ait de contact galvanique entre eux. Le terme de photocoupleur est traduit de l'anglais optocoupler ou optoisolator.

Fonctionnement du photocoupleur

La diode électroluminescente est une diode émettant de la lumière infrarouge (émission spontanée) lorsqu'elle est soumise à une polarisation directe. Lorsqu'un courant passe dans la DEL, et à partir d'une certaine tension (en général 1,5 Volt), la DEL s'allume.

Le phototransistor est composé de 3 zones : l'émetteur, la base et le collecteur. Le phototransistor est une variante du transistor NPN : le courant passe du collecteur vers l'émetteur, mais à condition que la base reçoive, non plus du courant, mais de la lumière visible ou infrarouge. Dans la majorité des applications, le phototransistor fonctionne en Commutation. Lorsque la DEL éclaire (traversée par un courant), alors le courant peut traverser le transistor. On peut alors considérer le transistor comme un interrupteur fermé. Sur le schéma de droite, la diode est représentée entre les broches 1 et 2 tandis que le phototransistor est situé entre les broches 3 (collecteur) et 4 (émetteur). Le phototransistor a un CTR élevé (de 10 % à 150 % ou plus), mais une vitesse de commutation moyenne (0,1ms typique).

La photodiode est, à l'instar du phototransistor, un récepteur de lumière. Comme ce dernier, elle ne laisse passer le courant que si elle est éclairée. Son avantage est d'être beaucoup plus rapide (0,1 microseconde à 1 microseconde) que le phototransistor. En revanche le courant qu'elle commute est plus petit, c'est-à-dire son CTR est plus petit (de 0,1 % à 10 %). De nombreux phototransistors sont équipés de photodiode suivis par un transistor (ou une électronique plus complexe) qui amplifie le courant fourni par la photodiode, ce qui allie une vitesse de commutation rapide avec un CTR élevé.

Le photo-relais est un photocoupleur dont le récepteur est composé de plusieurs photodiodes en série, qui génèrent une tension lorsqu'elles sont illuminées. Cette tension est appliquée sur la (les) grille(s) de un ou plusieurs transistor(s) à effet de champ intégrés dans l'optocoupleur. Ce composant se comporte ainsi comme un relais à semi-conducteurs. La vitesse de commutation est lente (comparée aux autres opto-coupleurs), mais un peu plus rapide comparée au relais électro-mécaniques. (1ms à 10ms).

Le photo-darlington est composé d'un phototransistor, suivi d'un transistor normal qui amplifie le courant. Ce photocoupleur a un CTR très élevé, mais une vitesse de commutation moyenne.

Le photocoupleur analogique est utilisé pour reproduire un courant précis à travers une isolation galvanique. Il est composé d'un emetteur (une DEL) et de deux récepteurs de caractéristiques aussi identiques que possible. L'un des récepteurs fournit un courant qui est comparé au courant de référence à transmettre. L'autre récepteur se trouve du côté à isoler.

L'isolation : Il s'agit de la tension de mode commun entre l'entrée et la sortie de l'optocoupleur. Le constructeur spécifie en général une tension maximale continue et/ou alternative pour laquelle aucun claquage ne se produit. Cette tension doit pour le test être appliquée durant un temps minimum (1 seconde ou 1 minute). Pour obtenir une bonne isolation, les composants optiques sont séparés par un écran transparent, voire dans certains optocoupleurs coulés dans la même résine.

Où utilise-t-on des photocoupleurs ?

Leurs applications sont innombrables. Celle qui vient immédiatement à l'esprit est le couplage de deux circuits qui ont des alimentations distinctes, sans aucun contact électrique entre eux, ce qui évite les boucles de masse, mais sert aussi de protection des circuits à basse tension, comme les microprocesseurs, ou les humains à l'égard de tensions dangereuses, comme celle du secteur de distribution électrique.

Ils font alors office de relais entre le circuit de commande et les circuit de puissance, mais avec un gain considérable de place et d'énergie. Le photocoupleur est incontournable dans le système MIDI Musical Instrument Digital Interface des instruments de musique électronique.

Pour en savoir plus sur les photocoupleurs ou les composants électroniques, suivez des cours d'électronique.

Bobine

Une bobine, self, solénoïde, ou auto-inductance est un composant courant en électrotechnique et électronique. Une bobine est constituée d'un bobinage ou enroulement d'un fil conducteur éventuellement autour d'un noyau en matériau ferromagnétique.

Ce noyau est également appelé dans la langue courante "noyau de ferrite". Les physiciens français l'appellent couramment « bobine d'inductance » ou, plus souvent et abusivement, « inductance ». Cependant, le terme inductance désigne normalement une caractéristique de la bobine. Le terme de bobine peut aussi désigner un dispositif destiné à produire des tensions élevées.

Utilisation de la bobine en électronique

Une bobine peut être employée pour diverses fonctions :

• assurer l'élimination des parasites d'une alimentation électrique ou d'un signal analogique, elle joue alors le rôle d'impédance ;
• raccourcir une antenne (la bobine joue le rôle d'amplificateur de signal) ;
• accorder en impédance un circuit ;
• créer un filtre pour une fréquence ou une bande de fréquences particulière ;
• lisser les courants continus (le bruit est éliminé) ou contrôler la croissance des courants dans les dispositifs d'électronique de puissance ;
• stocker de l'énergie électromagnétique (magnétique en l'occurrence) sous la forme :

. Il faut alors que sa résistance soit très faible. En fait l'énergie est entièrement stockée dans le champ magnétique dans le noyau de la bobine. En comparaison, l'énergie électromagnétique est purement stockée dans le champ électrique d'un condensateur, un autre type de composant de circuit. Des bobines en supraconducteur, appelées SMES (Superconducting Magnet Energy Storage) sont utilisées pour cette application.

• Les bobines peuvent servir d'interrupteur commandé dans le cadre de la régulation magnétique. Ce phénomène peut s'observer à partir d'une expérience simple: Pour cela, on utilise un transformateur qui, aux bornes où la tension est abaissée une pile est reliée. Lorsque on la déconnecte, une étincelle surgit sur la borne d'où l'on a déconnecté la pile. Cependant, si les deux fils de l'autre côté du transformateur sont suffisamment proches, une étincelle à très haute énergie peut surgir. Le transformateur dans ces circonstances devient un survolteur. Lorsque la pile est connectée, la première bobine se charge et lorsqu'on la débranche, elle se vide dans la deuxième. Grâce à ceci, la bobine peut servir d'interrupteur. Le fait d'utiliser le transformateur comme survolteur dans ce cas présent permet de visualiser le phénomène grâce aux étincelles produites.
• Les ballasts magnétiques et électroniques pour l'éclairage par lampes à décharges (lampes fluorescentes, lampes aux halogénures métalliques, etc.) utilisent des bobines. Dans ces circonstances, la bobine sert à générer un courant de haut voltage en pic: la tension n'est pas alternative mais elle est variable et n'est non nulle qu'un très court instant par rapport au moment ou la tension est nulle.

Pour en savoir plus sur les bobines ou les composants électroniques, suivez des cours d'électronique.

Résistance

Une résistance est un composant électronique ou électrique dont la principale caractéristique est d'opposer une plus ou moins grande résistance (mesurée en ohms) à la circulation du courant électrique.

C'est par métonymie que le mot « résistance », qui désigne avant tout une propriété physique, en est venu à désigner aussi un type de composant que certains préfèrent appeler un « dipôle résistant ». On utilise également, pour l'enseignement de la physique, le terme « résisteur » ou l'anglicisme « résistor » (du mot resistor qui, en anglais, désigne ce type de composant), ou encore l'expression « conducteur ohmique », de façon à éviter d'utiliser le même terme pour l'objet et sa caractéristique.

Des résistances sont réalisées de manière à approcher de façon très satisfaisante la loi d'Ohm dans une large plage d'utilisation.

• Les résistances de faible puissance en dessous de 1 watt sont généralement des résistances à couche de carbone sur un support de céramique.
• Pour les puissances supérieures, la technique du fil résistant enroulé sur un corps en céramique est souvent utilisée.
• Pour les très fortes puissances, on peut utiliser une technologie dite des « résistances liquides » consistant à faire passer le courant à travers une solution aqueuse contenant des ions cuivre.

Le bruit thermique, généré par le passage d'un courant dans la resistance, est également nommé bruit de résistance, bruit Johnson ou bruit de Johnson-Nyquist. Il est le bruit produit par l'agitation thermique des électrons dans une résistance électrique en équilibre thermique. Le bruit thermique est un bruit blanc dont la densité spectrale de puissance dépend uniquement de la valeur de la résistance. Le bruit thermique peut être modélisé par une source de tension en série avec la résistance qui produit le bruit.

La valeur des résistances à couche standard est habituellement indiquée sur le composant sous forme d'anneaux de couleurs. Le code en est défini par la norme CEI 60757. Afin de standardiser les valeurs possibles des résistances, il existe des séries de valeurs normales pour résistances. Ces valeurs normalisées sont définies par la norme CEI 60063.

Pour en savoir plus sur les résistances ou les composants électroniques, suivez des cours d'électronique.

Condensateur

Un condensateur est un composant électronique ou électrique élémentaire, constitué de deux armatures conductrices (appelées « électrodes ») en influence totale et séparées par un isolant polarisable (ou « diélectrique »).

Sa propriété principale est de pouvoir stocker des charges électriques opposées sur ses armatures. La valeur absolue de ces charges est proportionnelle à la valeur absolue de la tension qui lui est appliquée. Le condensateur est caractérisé par le coefficient de proportionnalité entre charge et tension appelé capacité électrique et exprimée en farads (F). La relation caractéristique d'un condensateur idéal est :

où :

• i est l'intensité du courant qui traverse le composant, exprimée en ampère (symbole A) ;
• u est la tension aux bornes du composant, exprimée en volt (symbole V) ;
• C est la capacité électrique du condensateur, exprimée en farad (symbole F).
•  est la dérivée de la tension par rapport au temps.

Les signes sont tels que l'électrode par laquelle entre le courant (dans le sens conventionnel du courant) voit son potentiel augmenter.

Le condensateur est utilisé principalement pour :

• stabiliser une alimentation électrique (il se décharge lors des chutes de tension et se charge lors des pics de tension) ;
• traiter des signaux périodiques (filtrage…) ;
• séparer le courant alternatif du courant continu, ce dernier étant bloqué par le condensateur ;
• stocker de l'énergie, auquel cas on parle de supercondensateur.

Le mot condensateur peut désigner spécifiquement un composant électrique ou électronique conçu pour pouvoir emmagasiner une charge électrique importante sous un faible volume ; il constitue ainsi un véritable accumulateur d'énergie.

En octobre 1745, Ewald Georg von Kleist de Poméranie inventa le premier condensateur. Le physicien hollandais Pieter van Musschenbroek le découvrit de façon indépendante en janvier 1746. Il l'appela la bouteille de Leyde car Musschenbroek travaillait à l'université de Leyde.

• Un condensateur est constitué fondamentalement de deux conducteurs électriques, ou « armatures », très proches l'un de l'autre, mais séparés par un isolant, ou « diélectrique ».

La charge électrique emmagasinée par un condensateur est proportionnelle à la tension appliquée entre ses deux armatures. Aussi, un tel composant est-il principalement caractérisé par sa capacité, rapport entre sa charge et la tension.

La capacité électrique d'un condensateur se détermine essentiellement en fonction de la géométrie des armatures et de la nature du ou des isolants ; la formule simplifiée suivante est souvent utilisée pour estimer sa valeur :

avec S : surface des armatures en regard, e distance entre les armatures et ε la permittivité du diélectrique.

• L'unité de base de capacité électrique, le farad représente une capacité très élevée, rarement atteinte (à l'exception des supercondensateurs) ; ainsi, de très petits condensateurs peuvent avoir des capacités de l'ordre du picofarad.
• Une des caractéristiques des condensateurs est leur tension de service limite, qui dépend de la nature et de l'épaisseur de l'isolant entrant dans leur constitution. Cet isolant présente une certaine rigidité diélectrique, c'est-à-dire une tension au-delà de laquelle il peut apparaître un violent courant de claquage qui entraîne une destruction du composant (sauf pour certains d'entre eux, dont l'isolant est dit auto-cicatrisant).

La recherche de la plus forte capacité pour les plus faibles volume et coût de fabrication conduit à réduire autant que possible l'épaisseur d'isolant entre les deux armatures ; comme la tension de claquage diminue également dans la même proportion, il y a souvent avantage à retenir les meilleurs isolants.

Pour en savoir plus sur les condensateurs ou les composants électroniques, suivez des cours d'électronique.

Microprocesseur

Un microprocesseur est un processeur dont les composants ont été suffisamment miniaturisés pour être regroupés dans un unique circuit intégré. Fonctionnellement, le processeur est la partie d’un ordinateur qui exécute les instructions et traite les données des programmes.

Jusqu’au début des années 1970, les différents composants électroniques formant un processeur ne pouvaient pas tenir sur un seul circuit intégré. On devait donc les placer sur plusieurs circuits intégrés. En 1971, la société américaine Intel réussit, pour la première fois, à placer tous les transistors qui constituent un processeur sur un seul circuit intégré donnant ainsi naissance au microprocesseur.

Cette miniaturisation du microprocesseur a permis :

• d'augmenter les vitesses de fonctionnement des processeurs, grâce à la réduction des distances entre les composants, entre autres ;
• de réduire les coûts, grâce au remplacement de plusieurs circuits par un seul, entre autres ;
• d'augmenter la fiabilité : en supprimant les connexions entre les composants du processeur, on supprime l'un des principaux vecteurs de panne ;
• de créer des ordinateurs bien plus petits : les micro-ordinateurs ;
• de réduire la consommation énergétique.

Les principales caractéristiques d'un microprocesseur sont :

• Le jeu d'instructions qu’il peut exécuter. Voici quelques exemples d’instructions que peut exécuter un microprocesseur : additionner deux nombres, comparer deux nombres pour déterminer s’ils sont égaux, comparer deux nombres pour déterminer lequel est le plus grand, multiplier deux nombres,... Un processeur peut exécuter plusieurs dizaines, voire centaines ou milliers, d’instructions différentes.
• La complexité de son architecture. Cette complexité se mesure par le nombre de transistors contenus dans le microprocesseur. Plus le microprocesseur contient de transistors, plus il pourra effectuer des opérations complexes, et/ou traiter des chiffres de grande taille.
• Le nombre de bits que le processeur peut traiter ensemble. Les premiers microprocesseurs ne pouvaient traiter plus de 4 bits d'un coup. Ils devaient donc exécuter plusieurs instructions pour additionner des nombres de 32 ou 64 bits. Les microprocesseurs actuels (en 2007) peuvent traiter des nombres sur 64 bits ensemble. Le nombre de bits est en rapport direct avec la capacité à traiter de grands nombres rapidement, ou des nombres d'une grande précision (nombres de décimales significatives).
• La vitesse de l’horloge. Le rôle de l’horloge est de cadencer le rythme du travail du microprocesseur. Plus la vitesse de l’horloge augmente, plus le microprocesseur effectue d'instructions en une seconde.

Tout ceci est théorique, dans la pratique, selon l'architecture du processeur, le nombre de cycles d'horloge pour réaliser une opération élémentaire peut varier d'un cycle à plusieurs dizaines par unité d'exécution (typiquement une sur un processeur classique).

Par exemple, un processeur A cadencé à 400 MHz peut être plus rapide qu'un autre B lui cadencé à 1 GHz, tout dépend de leurs architectures respectives.

La combinaison des caractéristiques précédentes détermine la puissance du microprocesseur. La puissance d'un microprocesseur s’exprime en Millions d'Instructions Par Seconde (MIPS). Dans les années 1970, les microprocesseurs effectuaient moins d’un million d’instructions par seconde, les processeurs actuels (en 2007) peuvent effectuer plus de 10 milliards d’instructions par seconde.

Pour en savoir plus sur les microprocesseurs ou les composants électroniques, suivez des cours d'électronique.

Les diodes

Les diodes sont l'équivalent en électronique à un clapet dans une installation hydraulique.

Les deux paramètres importants à prendre en compte pour les diodes sont :

• La tension maximale de blocage du composant, c’est-à-dire la tension au-delà de laquelle se produit le claquage et donc la destruction de la diode.
• L'intensité maximale du courant qui peut la traverser.

Les trois principaux défauts du composant diode sont :

• La tension de seuil V_S
• La résistance dynamique R_D
• La capacité parasite C.

Actuellement les diodes se déclinent en plusieurs catégories :

• Les diodes silicium de puissance de résistance dynamique R_D faible.

Elles sont utilisées dans le domaine des convertisseurs de forte puissance comme les onduleurs de traction. Elles sont réalisées en boîtier encapsulé. La jonction qui les constitue est de type PiN (P - Intrinsèque - N), ou PN-N+. L'introduction d'une zone très faiblement dopée permet d'obtenir une tension de blocage élevée.

• Les diodes rapides de capacité parasite C faible.

Elles ont des temps de recouvrement de l'ordre de quelques dizaines de nanosecondes.

• Les diodes Schottky : tension de seuil V_S faible et C faible.

Elles sont constituées d'une jonction métal - semi-conducteur. Par rapport aux diodes PiN, la tension de seuil est plus faible, mais la résistance est plus élevée (d'où une chute de tension qui dépend plus fortement du courant qui la traverse). Elles peuvent fonctionner à des fréquences très élevées mais la tension inverse maximale autorisée est plus faible. Pour toutes ces raisons, elles sont principalement utilisées dans les convertisseurs fonctionnant en TBT et à fréquence élevée : alimentations à découpage.

• Les diodes Schottky en carbure de silicium (SiC).

Elles conjuguent C très faible et une tension de blocage plus élevée que les diodes Schottky classiques mais ces améliorations se font au détriment de l'augmentation de V_S.

Pour en savoir plus sur les diodes, suivez des cours d'électronique.

Transistor

Le transistor est un composant électronique actif utilisé :

• Comme interrupteur dans les circuits logiques ;
• Comme amplificateur de signal ;
• Pour stabiliser une tension, moduler un signal ainsi que de nombreuses autres utilisations.

Un transistor est un dispositif semi-conducteur à trois électrodes actives, qui permet de contrôler un courant (ou une tension) sur une des électrodes de sorties (le collecteur pour le transistor bipolaire et le drain sur un transistor à effet de champ) grâce à une électrode d'entrée (la base sur un transistor bipolaire et la grille pour un transistor à effet de champ).

Le terme transistor provient de l’anglais transfer resistor(résistance de transfert). Il a été sélectionné par un comité directeur de vingt-six personnes des Bell Labs le 28 mai 1948 (mémo 48-130-10), parmi les différents noms proposés suivants : semiconductor triode, surface states triode, crystal triode, solid triode, iotatron, transistor. Pour des raisons commerciales, il fallait un nom court, sans équivoque avec la technologie des tubes électroniques.Transistor fut retenu.

Par métonymie, le terme transistor désigne aussi les récepteurs radio équipés de transistors (originellement appelés poste à transistors).

Constitution du transistor

Les substrats utilisés vont du germanium (série AC, aujourd’hui obsolète), en passant par le silicium, l’arséniure de gallium, le silicium-germanium et plus récemment le carbure de silicium, le nitrure de gallium, l'antimoniure d'indium.

Pour la grande majorité des applications, on utilise le silicium alors que les matériaux plus exotiques tels que l'arséniure de gallium et le nitrure de gallium sont plutôt utilisés pour réaliser les transistors hyperfréquence et micro-onde.

• Un transistor bipolaire se compose de deux parties de substrat semiconducteur dopées identiquement (P ou N) séparées par une mince tranche de semiconducteur dopée inversement ; on a ainsi deux types : N-P-N et P-N-P.
• Le transistor à effet de champ classiquement se compose d’un barreau de semiconducteur dopé N( ou P), et entouré en son milieu d’un anneau de semiconducteur dopé inversement P(ou N). On parle de FET à canal N ou P suivant le dopage du barreau.
• Le transistor MOS se compose d’un barreau de semiconducteur P ou N sur lequel on fait croître par épitaxie une mince couche d’isolant (silice par exemple), laquelle est surmontée d’une électrode métallique.

Usage du transistor

Sauf dans le domaine des fortes puissances, il est devenu rare de n’avoir qu’un seul transistor dans un boîtier (pour les fortes puissances, on optera pour un montage Darlington, permettant d’obtenir un gain en courant plus important).

Les circuits intégrés ont permis d’en interconnecter d’abord des milliers, puis des millions. L'intégration de plus d'un milliard de transistors sur un seul composant a été atteinte en juin 2008 par Nvidia avec la GT200. La puce, utilisée comme processeur graphique (GPU) atteint 1,4 milliard de transistors gravés en 65 nanomètres, sur une surface d'environ 600 mm².

Ces circuits intégrés servent à réaliser des microprocesseurs, des mémoires, par exemple.

Pour en savoir plus sur les transistors ou les composants électroniques, suivez des cours d'électronique.

Composant électronique

Un composant électronique est un élément destiné à être assemblé avec d'autres afin de réaliser une ou plusieurs fonctions électroniques.

Les composants forment de très nombreux types et catégories, ils répondent à divers standards de l'industrie aussi bien pour leurs caractéristiques électriques que pour leurs caractéristiques géométriques. Leur assemblage est préalablement défini par un schéma d'implantation.

Composant actif ou passif

Un composant actif est un composant électronique qui permet d'augmenter la puissance d'un signal (tension, courant, ou les deux). La puissance supplémentaire est récupérée au travers d'une alimentation. On peut citer en majorité des semi-conducteurs, on y classe : transistor, circuit intégré.

Il existe généralement une connexion électrique interne entre deux bornes du composant où le courant et la tension sont de même signe (orientés dans le même sens sur le schéma). C'est la convention générateur.

Au contraire un composant électronique est dit passif lorsqu'il ne permet pas d'augmenter la puissance d'un signal (dans certains cas, il s'agit même de réduire la puissance, souvent par effet Joule) : résistance, condensateur, bobine, filtre passif, transformateur, diode, ainsi que les assemblages de ces composants.

Dans l'ensemble des connexions internes le courant et la tension sont de signe inverse. Convention récepteur.

De plus en plus apparaissent des composants qui sont des modules ou assemblages de composants actifs et passifs. On les compte soit dans les actifs, soit on les exclut des composants électroniques (en les considérant comme des circuits électroniques à part entière).

Un composant électronique discret est un composant ne réalisant qu'une fonction (résistance, condensateur, ...). Il s'oppose au circuit intégré ou au circuit hybride qui regroupent un certain nombre de fonctions actives ou passives dans un même boîtier. Le besoin de miniaturisation imposé par l'industrie de l'électronique et les progrès de l'industrie des semi-conducteurs engendrent progressivement la disparition de plus en plus des composants discrets. Ceux-ci sont cependant toujours utilisés dans les domaines réclamant de fortes tensions/ puissances comme l'électronique de puissance, l'électrotechnique, etc. Leur emploi se justifie également dans la réalisation de prototypes et de petites séries ou dans l'éducation.

Pour en savoir plus sur les composants électroniques, suivez des cours d'électronique.

Circuit électronique

Un circuit électronique est un ensemble de composants électroniques interconnectés souvent à l'aide d'un circuit imprimé et dont le but est de remplir une fonction. C'est pour cela qu'un circuit électronique est souvent considéré comme une boîte noire comportant :

• Une entrée pour l'alimentation,
• Une ou plusieurs entrées,
• Une ou plusieurs sorties.

Souvent, un circuit électronique est connecté à des dispositifs électromécaniques afin de matérialiser le traitement électronique (voir : Les actionneurs). Les composants d’un circuit électronique sont essentiellement assemblés sur un support isolant (bakélite) comportant des pistes conductrices et des connecteurs, le circuit imprimé, et ou alors regroupés dans de petites ou grosse puces : les circuits intégrés.

Conception d'un circuit électronique

Un circuit électronique paraît toujours compliqué. Pourtant, il est juste constitué de quelques modules indépendants, qui sont des circuits électroniques, eux-mêmes constitués de modules (parfois appelés « étages »). Au final, on arrive à des modules élémentaires qui sont les briques du circuit. Ces modules élémentaires sont constitués de « modules » un peu spéciaux : les composants électroniques. Voici une liste des principaux modules rencontrés en électronique :

• l’alimentation
• les filtres
• la puissance
• l’amplification
• l’informatique

Pour en savoir plus sur les circuits électroniques, suivez des cours d'électronique.

Électronique et développement durable

L'industrie électronique est une industrie qui, comme les autres, produit une quantité de plus en plus importante de déchets comprenant de nombreux éléments précieux et/ou toxiques.

Il existe une directive européenne sur les déchets électroniques.

En France, les Équipements électroniques peuvent être rapportés en fin de vie aux enseignes qui les vendent. La loi Grenelle II ajoute en 2010 que quand ils sont vendus sous la seule marque d'un revendeur, ce dernier doit « pourvoir ou contribuer à la collecte, à l'enlèvement et au traitement des déchets d'équipements électriques et électroniques en substitution de la personne qui fabrique, importe ou introduit sur le marché national ces équipements (...) quelle que soit la technique de vente utilisée, notamment la vente à distance et la vente électronique  » ;

D'autre part, l'électronique entre dans une bonne part des équipements informatiques (ordinateurs, réseaux) très consommateurs d'énergie électrique, et donc indirectement émetteur de gaz à effet de serre, ou générateur de déchets (éventuellement radioactifs). Les industriels cherchent à réduire la consommation de certains appareils électriques. Mais ceux-ci nécessitent très souvent un temps de démarrage ou d'initialisation important (surtout vrai pour les ordinateurs), ce qui encourage les utilisateurs à les laisser allumés en permanence, d'où un gaspillage important d'énergie. Des solutions commencent à poindre ; Une écoconception "intelligente" permet par exemple de détecter l'inactivité de l'appareil et de le désactiver pour réduire sa consommation (on parle alors de mode "veille" ou "veille profonde"). Pour le confort d'utilisation, il faut que la sortie du mode de veille soit rapide.

Les enjeux de consommation électrique sont particulièrement mis en valeur par :

• la multiplication du nombre d'appareils électriques et électroniques équipant chaque foyer, bureau, véhicule, etc.
• la présence dans les salons d'appareils multi-usages (une console de jeux permet de jouer sur sa télévision, de naviguer sur Internet, de regarder des DVD, etc.) ce qui incite à les laisser constamment allumés,
• la vulnérabilité des réseaux de distribution d'électricité (blackout aux États-Unis ou coupures d'électricité régulières en Provence)
• la prise de conscience du dérèglement climatique. Ainsi, les économies d'énergie sont ramenées à un équivalent-tonnes de CO2 virtuellement non rejetées dans l'atmosphère.

Les appareils électroniques étant presque tous des biens de consommation à courte durée de vie, ils sont renouvelés de plus en plus fréquemment. Les améliorations apportées par les fabricants trouvent donc une application rapide. Face à des produits électroniques concurrents aux fonctionnalités similaires, la consommation électrique réduite d'un appareil peut devenir un argument commercial de vente. Le "greenwashing" ou Écoblanchiment est une pratique qui consiste à inonder le consommateur d'arguments environnementaux pas toujours justifiés et qui lui font perdre ses repères.

Les distributeurs de composants électroniques proposent désormais des composants sans plomb, répondant aux normes "RoHS".

Bases théoriques de l'électronique

Méthodes mathématiques

Il existe un certain nombre d'outils pour la modélisation des propriétés électroniques d'un circuit.

On peut citer les principes fondamentaux de l'électricité et de l'électromagnétisme (loi d'Ohm, théorème de Gauss, loi de Lenz-Faraday), les modèles de fonctionnement des matériaux semi-conducteurs (jonction P-N, effet transistor, effet d'avalanche), les outils mathématiques et statistiques (nombre complexe, transformée de Fourier, transformée en ondelettes, loi de Gauss).

Les études liées aux signaux de hautes fréquences font appel aux méthodes associées à l'analyse de la propagation des ondes (équations de Maxwell, ...). La mise en œuvre de signaux rapides au sein d'une carte électronique nécessite des analyses et l'utilisation de logiciels de simulation spécifiques. L'étude des composants électroniques au niveau atomique intègre les résultats et méthodes associées à la physique quantique.

La simulation de circuits électroniques, parfois complexes et coûteux, est un procédé très répandu et d'un niveau très avancé. Certains logiciels informatiques peuvent intégrer de nombreux paramètres, comme la température ou les champs électromagnétiques.

Bruit, Compatibilité électromagnétique, Dissipation thermique, Influence des rayonnements cosmiques

Comme tout système, un circuit électronique interagit avec son environnement immédiat, il peut ainsi soit générer des nuisances, soit voir son fonctionnement perturbé par un environnement bruyant. Ces interactions, lorsqu'elles sont estimées nuisibles à la fonction recherchée, doivent être minimisées. L'électronicien doit composer avec des paramètres qui évoluent souvent négativement au fil des avancées technologiques : la miniaturisation et l'intégration des composants et des systèmes (qui les rend souvent plus sensibles aux perturbations), l'augmentation des fréquences de fonctionnement, la généralisation des systèmes radioélectriques (qui ont pour effet d'augmenter globalement le niveau des champs perturbateurs).

La nécessité de maintenir la température des composants à des valeurs compatibles de la plage d'utilisation pour laquelle ils ont été conçus rend le problème du traitement de leur dissipation thermique un point incontournable et parfois délicat (cas notamment des composants de type processeurs, pour lesquels les dispositifs thermiques associés font l'objet d'études spécifiques).

La taille des cellules élémentaires des composants électroniques les rend également parfois sensibles aux particules du rayonnement cosmique. L'étude de cette sensibilité et des moyens à mettre en œuvre afin de garantir le bon fonctionnement du système complet, notamment dans le cas de fonctions estimées critiques, est intégrée dans les activités du concepteur électronicien.

Méthodes de conception

L'électronique moderne est basée exclusivement sur un certain nombre d'outils logiciels de conception : on parle de Conception Assistée par Ordinateur. Il inclut la saisie de schémas, le placement/routage, la modélisation. La conception de circuits intégrés complexes comprend des étapes intermédiaires, telles que la synthèse logique ou l'analyse des délais. Les composants électroniques programmables (microprocesseur, FPGA, DSP) déplacent davantage encore la conception dans le domaine informatique : ils apportent la flexibilité et la baisse des coûts.

Méthodes de fabrication

La fabrication de circuits électroniques s'est extrêmement diversifiée depuis les années 1980. Alors que la fabrication de prototypes peut toujours se faire de manière artisanale, la production de grande à très grande série dans des usines de plus en plus complexes et coûteuses, permet d'obtenir une technologie toujours plus performante à des prix raisonnables. Alors que l'industrie de la micro-électronique demande des investissements de plus en plus importants pour suivre les évolutions techniques, les industries de technique standard sur circuit imprimé cherchent à améliorer leur rendement (robots de fabrication/assemblage/test, GPAO, délocalisations).

Méthodes de test

Le test d'un circuit électronique est une étape importante, car il s'agit souvent de systèmes complexes dont on ne peut garantir la fiabilité et les performances, même après de nombreuses simulations. On distingue les tests unitaires, pour la mise au point de prototypes, et les tests en série, plus ou moins automatisés, destinés à repérer les défauts de fabrication et/ou d'assemblage. De nombreux outils existent pour faciliter cette étape importante : appareillage de mesure (multimètre, oscilloscope, analyseur de fréquence, etc.), standards pour la mesure automatisée (JTAG, GPIB), systèmes automatisés (planche à clous, testeur à sonde mobile, banc de test spécifique).

Pour en savoir plus suivez des cours auprès d'un professeur d'électronique.

Taille des circuits électroniques

La tailles des circuits électroniques varie fortement et il existe une classification entre les différents type de circuits et leur taille.

Électronique des tubes à vide

Comme son nom l’indique, elle recourt à des tubes à vide, outubes électroniques comme composants actifs élémentaires (diodes à vide, triodes, tétrodes, pentodes...). Elle ne subsiste guère plus aujourd’hui que sous la forme des tubes cathodiques des récepteurs de télévision et de certains composants d’émetteurs radio de très forte puissance, et ces tubes-là sont d’ailleurs eux aussi en voie de disparition. Reste toutefois la technique des tubes à vide utilisés en audio, dans les amplificateurs guitare notamment.

Les tubes à vide, dans leur configuration la plus simple (diode), sont composés de deux électrodes, appelées cathode et anode installées dans un tube de verre où le vide a été créé. La cathode est chauffée par un élément chauffant, ce qui permet de créer un 'nuage' d'électrons à proximité de la cathode.

Lorsque le circuit électronique auquel le tube est branché crée un potentiel positif à l'anode par rapport à la cathode, il se produit un courant électrique (d'électrons) entre la cathode et l'anode (appelé courant cathodique). Il est possible d'incorporer des grilles métalliques entre la cathode et l'anode. Différents potentiels appliqués à ces grilles auront pour effet de contrôler le courant cathodique. Les tubes équipés d'une grille sont appelés triodes (trois électrodes).

La conception des tubes à vide la rend extrêmement tolérante aux surcharges. Cette particularité positionne encore aujourd'hui le tube à vide comme un candidat important pour les applications extrêmes, telles que les émetteurs radio (MA et MF) de puissance et les tubes d'émission à rayons X.

Enfin, la lumière (un seul photon) dirigé vers la cathode est suffisante pour générer un courant cathodique, et ce, sans même utiliser d'élément chauffant. Les 'dynodes' utilisent ce principe en cascade pour détecter les photons dans certaines applications d'imagerie médicales.

Électronique individuelle

Elle recourt à des composants élémentaires individuels ou « discrets » (par opposition à intégrés) assemblés le plus souvent sur des cartes électroniques. Ce type de conception électronique n’est guère plus utilisée que pour des montages expérimentaux ou dans le cadre de l’électronique de loisir, car elle a été supplantée par la micro-électronique. Sur une carte électronique actuelle, bien que les circuits intégrés accomplissent les principales fonctions, on trouve cependant toujours les composants discrets nécessaires à leur mise en œuvre (résistances et condensateurs essentiellement).

Micro-électronique

Ce vocable est né du processus de la miniaturisation des composants électroniques élémentaires. Cette miniaturisation a commencé dans les années cinquante avec la naissance des semi-conducteurs, elle a atteint une phase presque extrême aujourd’hui.

En effet, depuis six décennies la taille des composants élémentaires n’a cessé de diminuer, pour atteindre des dimensions de l’ordre de quelques dizaines de nanomètres. Ces progrès sont devenus possibles grâce aux avancées dans les procédés de traitement des matériaux semi-conducteurs, notamment du silicium, qui ont permis de réaliser plusieurs millions de composants élémentaires sur une surface de quelques millimètres carrés.

Ainsi, la micro-électronique s’intéresse aux systèmes électroniques utilisant des composants de dimensions micrométriques et nanométriques. L’expression « électronique intégrée » est un synonyme de ce vocable : elle évoque un ensemble de composants « intégrés » sur une seule puce de semi-conducteur, communément appelé circuit intégré.

Nano-électronique et électronique moléculaire

Par ailleurs, en parlant des systèmes de l’électronique moderne, le préfixe « micro » commence à être obsolète, dans la mesure où l’on voit apparaître des composants dont la taille se mesure en nanomètres et parfois comparable à celle des molécules. On évoque ainsi la nano-électronique, les nanotechnologies et l’électronique moléculaire. Des avancées techniques récentes permettent même d’envisager la conception de composants basés sur la propriété des électrons et de leur spin : la spintronique.

Microsystèmes

Avec les progrès dans les micro- et nano-technologies, on observe une fusion des systèmes appartenant à différents domaines techniques (mécaniques, thermiques, optiques...) autour des circuits et systèmes électroniques. Ces fusions sont souvent appelées « systèmes à traitement de signal multi-domaine », ou « systèmes multi-domaines ». À l’origine de ces progrès sont les procédés d’usinage du silicium très évolués, qui permettent de réaliser des structures tridimensionnelles sur les mêmes cristaux de silicium avec les circuits électroniques. Cette proximité offre une interpénétration des traitements traditionnellement se déroulant dans des domaines différents, et une coexistence des signaux de différentes natures physiques (thermique, mécanique, optique...) dans un même système. Ainsi, depuis les années 1990, les microsystèmes électromécaniques (MEMS) sont produits et utilisés en grandes quantités.

pour en savoir plus, prenez des cours d'électronique.

Classification électronique

D’une façon indépendante de l’application, certaines disciplines de l’électronique sont définies suivant la place qu’occupe l’objet de l’étude dans la hiérarchie d’un système électronique.

Physique des composants

Au niveau le plus bas se situe un composant, ou un dispositif électronique. La branche s’intéressant à la conception et à l’étude d’un composant électronique élémentaire s’appelle « physique des composants ». Elle est connexe au savoir-faire technologique, qui lui regroupe l’ensemble des connaissances et outils nécessaires pour fabriquer un composant. On parle ainsi de la « technologie de l’électronique ».

Les domaines de la technologie et de la physique des composants électroniques font essentiellement appel aux compétences dans les sciences fondamentales, telles que la physique du solide et des procédés chimiques. Même si ces activités sont vitales pour l’électronique, elles ont peu à voir avec l’électronique en tant que génie du traitement du signal. On devrait plutôt les considérer comme une porte d’entrée du monde de la physique fondamentale vers la science appliquée qu’est l’électronique. Les composants de base de l’électronique sont les transistors, les résistances, les condensateurs, les diodes, etc.

Circuit électronique

Un circuit électronique est le principal objet d’étude de la science de l’électronique. Un circuit électronique est un système incluant plusieurs composants électroniques associés. Le mot circuit vient du fait que le traitement s’effectue grâce à des courants électriques circulant dans les composants interconnectés. La branche étudiant les propriétés des circuits électroniques s’appelle « théorie des circuits ».

La discipline qui étudie la méthodologie permettant de réaliser une fonction de traitement particulière à base d’un circuit s’appelle « conception des circuits électroniques ». Les systèmes électroniques modernes comportent des centaines de millions de composants élémentaires. Pour cette raison le génie des circuits électroniques ne s’intéresse qu’à la réalisation de fonctions (ou modules) relativement simples, nécessitant quelques dizaines de composants.

Pour en savoir plus suivez des cours d'électronique.

Apprendre l'électronique

Pour apprendre l'électronique, il est important de savoir qu'il existe différents types d'électroniques en fonction des critères choisis.

L’électronique est une famille de disciplines se distinguant suivant les critères suivants :

• le type de signal traité,
• la famille d’application
• ou encore le niveau hiérarchique qu’occupe l’élément étudié dans le système global.

Les différents domaines de l'électronique

L'électronique a pour objet le traitement par des composantsmatériels (avec parfois mise en œuvre de logiciel interne) de ce qui est appelé des signaux électroniques.

Un signal électronique est une grandeur qui est considérée comme représentant de manière suffisamment satisfaisante une grandeur physique donnée et qui porte l'information à traiter.

Il s'agit en général d'une tension électrique, d'un courant, mais ce peut être également un champ électrique ou magnétique.

Traditionnellement, les signaux sont classés en 3 grands types:

• signal analogique
• signal numérique
• signal de puissance

suivant la manière dont on considère ce signal et l'usage que l'on souhaite en faire.

Il est d'usage également de décomposer un signal en deux composantes:

   signal = signal utile + bruit

le signal utile étant la partie du signal contenant l'information recherchée, le bruit étant toutes les perturbations modifiant cette partie utile. Ce découpage est donc arbitraire et lié à l'usage souhaité.

En fonction de ces types de signaux, on retrouve des électroniques correspondantes:

Signal analogique

La discipline de l'électronique analogique s’intéresse au traitement continu des signaux analogiques, c’est-à-dire ceux évoluant d’une façon continue dans le temps et considérés comme tels (par opposition aux signaux discrétisés ou numérisés pour lesquels on ne prend en compte qu'un nombre fini d'états). Ils peuvent donc prendre des valeurs appartenant à un espace de valeurs continu (ou continu par intervalles). La plupart des systèmes physiques le sont, car les grandeurs physiques évoluent le plus souvent d’une façon continue (par exemple, la température).

Le domaine de l'analogique est traditionnellement divisé en plusieurs sous-domaines :

• L'instrumentation
• Les fréquences audio (en lien avec l'électroacoustique)
• Les fréquences radio
• Les hyperfréquences (encore appelées fréquences radar ou hautes fréquences)
• La production et la propagation des ondes électromagnétiques
• La vidéo
• Le traitement du signal analogique
• Le codage du signal, ...

Ce dernier ne permet ni le stockage de l'information, ni d'effectuer des produits ou des divisions par des variables. C'est pourquoi le traitement numérique du signal remplace parfois les traitements analogiques, bien qu'il occasionne un délai de traitement.

Signal numérique

Par opposition, l’électronique numérique s’intéresse au traitement des signaux dont l’espace de valeurs est discret. Ainsi le nombre de valeurs que peuvent prendre ces signaux est limité. Celles-ci sont codées par des nombres binaires. Dans le cas le plus simple, un signal numérique ne peut prendre que deux valeurs : 1 et 0. L’électronique numérique est utilisée en particulier dans les systèmes contenant un microprocesseur ou un microcontrôleur. Par exemple, un ordinateur est un appareil constitué en majeure partie par de l’électronique numérique.

À l’heure actuelle le traitement du signal numérique tend de plus en plus à remplacer le traitement du signal analogique, de manière à faciliter le développement des circuits et à apporter une meilleure intégration et une plus grande souplesse d'utilisation. Dans les applications grand public, cette évolution est particulièrement remarquable dans les domaines de l'audio et de la vidéo (caméscopes, télévision) où l'électronique analogique était depuis longtemps répandue — le cas de la photographie est un peu à part dans la mesure où l'acquisition du signal était auparavant non pas électronique mais chimique.

Par contre, il ne faut pas oublier que comme les valeurs discrètes n’existent pas physiquement, des phénomènes d’électronique analogique peuvent survenir dans les circuits numériques, notamment dans les hautes fréquences. De plus certaines fonctions comme la mesure ou l'amplification sont intrinsèquement analogiques et ne pourront jamais devenir numériques. Les capteurs sont en très grande majorité analogiques, mais les fabricants on y ajoutent de plus en plus souvent une sortie numérique permettant un transfert d'information sans erreurs.

Les signaux numériques étant également des signaux discrets en temps, on utilise en général un oscillateur à quartz (horloge) de manière à synchroniser les différentes parties d'un circuit entre elles. On appelle les circuits régis par une horloge (ou plus) des circuits synchrones. La fréquence (ou fréquence d’horloge), exprimée en hertz (Hz) d’un circuit numérique représente le nombre de changements d’état possibles d’une valeur par seconde.

Cependant, il est tout à fait possible de travailler de manière asynchrone (indépendamment d'une horloge) si on organise le fonctionnement du circuit de manière à ce que ses différentes parties se synchronisent entre elles par des échanges de signaux de contrôle (on parle d’handshaking). On parle alors de Mode de transfert asynchrone.

Électronique mixte

On parle d’électronique mixte lorsque l'on est en présence d’un système dans lequel coexistent les signaux numériques et analogiques. Les modules particuliers à cette discipline sont le convertisseur analogique-numérique (CAN) et le convertisseur numérique-analogique (CNA). Ils permettent de transformer un signal analogique en signal numérique et vice versa, en réalisant ainsi une interface entre les modules purement analogiques (comme les capteurs) et purement numériques.

Par exemple, un thermomètre à affichage numérique prélève la température (qui est une grandeur analogique), mesure sa valeur, la code en une séquence numérique et puis l’affiche sur un écran. Ainsi, les deux premières opérations sont effectuées par des modules de l’électronique analogique, la troisième nécessite une conversion analogique-numérique et la dernière relève d’un traitement numérique.

Signal de puissance

L’électronique de puissance est l’ensemble des techniques qui s’intéressent à l’énergie contenue dans les signaux électriques, contrairement aux autres disciplines électroniques, qui elles s'intéressent principalement à l’information contenue dans ces signaux. L'objectif est le contrôle ou la transformation de l'énergie électrique. La gamme de puissance traitée en électronique de puissance varie de quelques microwatts à plusieurs mégawatts.

L’électronique de puissance repose sur des dispositifs permettant de changer la forme de l’énergie électrique (les convertisseurs) et des dispositifs transducteurs (le plus couramment des turbines et des moteurs électriques). L’électronique de puissance a comme champ d’application l’électrotechnique domestique et industrielle, où elle remplace les anciennes solutions électromécaniques.

Pour apprendre l'électronique, l'idéal est de suivre des cours d'électronique.

Histoire de l'électronique

Bref résumé de l'histoire de l'électronique. Depuis le début du XIX^e siècle, au fur et à mesure des découvertes des possibilités de l’électricité, les composants et applications électroniques ont vu le jour (parfois sans possibilité d’application immédiate ou de fabrication industrielle, ces découvertes ne seront utilisées que plus tard).

La croissance de l'électronique s'est faite par 2 apports simultanés :

• la réduction de la taille des composants élémentaires mis en œuvre (transistors et autre structures semblables) permettant une intégration de plus en plus efficace, ce qui a considérablement augmenté la puissance et le champ d'action des fonctions réalisées
• la sophistication progressive des méthodes et principes employés (traitement du signal, d'abord essentiellement analogique, puis numérique, voire sous forme de logiciel intégré dans les composants)

Les conséquences pratiques ont été notamment l'intégration de fonctions électroniques de plus en plus complexes et performantes dans la majeure partie des domaines techniques (industriels, scientifiques, ...) et des objets de la vie courante.

Le développement de l'électronique a également permis celui de la science et des techniques de l'informatique ainsi certaines avancés sociales (communications):

• En permettant la réalisation de calculateurs de plus en plus rapides et complexes (associés à des capacités de mémorisation croissantes), à des coûts compatibles pour d'une large diffusion.
• Ce développement a en retour amélioré les moyens disponibles pour le développement de l'électronique elle-même (logiciels de simulation de circuits, méthode de traitement de signal sophistiquées,...)
• Les impacts de l'électronique et de l’alimentation en électricité indispensable à son fonctionnement, sur la vie dans notre société moderne sont majeurs.

Les axes de développement actuels de l'électronique sont liés à :

• la recherche d'une intégration croissante des composants (loi de Moore), qui passe par la compréhension fine des mécanismes et phénomènes en œuvre au niveau de la physique moléculaire ou électronique (développement de nanotechnologies)
• la nécessité pressentie d'améliorer les performances en termes de rendement (afin de permettre une utilisation la plus efficace possible de l'énergie électrique utilisée ou utilisable).

L'histoire de l'électronique se crée tous les jours grâces aux avancées technique de l'électronique dans notre quotidien.

Voir aussi les composants électroniques en général ainsi que les cours d'électronique.