Un circuit électronique est un ensemble de composants reliés entre eux afin de traiter des informations, effectuer des calculs ou commander automatiquement un appareil. Contrairement à un simple circuit électrique, dont le rôle principal est de transporter de l'énergie, un circuit électronique est capable d'analyser des signaux, de les transformer et de produire une réponse adaptée.

Le fonctionnement d'un circuit électronique

Tout commence par une alimentation électrique, qui fournit l'énergie nécessaire au circuit. Des capteurs peuvent ensuite mesurer des informations provenant de l'environnement, comme la température, la lumière ou la position d'un objet. Ces informations sont analysées par des composants électroniques ou par un microcontrôleur, qui décide de la réponse à apporter. Enfin, un ou plusieurs actionneurs exécutent cette décision en produisant un mouvement, un son, une lumière ou une autre action.

Lorsqu'une personne appuie sur le bouton d'une télécommande, le circuit électronique détecte cette action, la transforme en un code numérique puis l'envoie sous forme d'un signal infrarouge vers le téléviseur.

Les différents éléments d'un circuit

Un circuit électronique est constitué de nombreux composants ayant chacun un rôle bien précis. Les résistances limitent le courant, les condensateurs stockent temporairement de l'énergie, les diodes contrôlent le sens de circulation du courant, les transistors amplifient ou commandent les signaux, les capteurs mesurent l'environnement et les actionneurs réalisent les actions demandées. C'est en les associant intelligemment que l'on construit des appareils électroniques capables d'accomplir des tâches parfois très complexes.

Le bon fonctionnement du circuit dépend de l'association de tous ces composants. Chacun réalise une fonction particulière, mais c'est leur fonctionnement coordonné qui permet à l'appareil d'exécuter les tâches prévues.

La carte électronique

Les composants sont reliés entre eux par des pistes conductrices gravées sur une carte électronique, appelée aussi circuit imprimé ou PCB (Printed Circuit Board). Ces pistes remplacent les fils électriques et permettent de réaliser des circuits compacts, fiables et faciles à fabriquer en grande série.

Cette carte est fabriquée à partir d'un matériau isolant recouvert de fines couches de cuivre. Les pistes gravées dans ce cuivre remplacent les fils électriques et relient les composants entre eux de manière compacte et fiable.

Selon la complexité de l'appareil, une carte électronique peut comporter une seule couche de cuivre ou plusieurs couches superposées permettant de réaliser des milliers de connexions dans un espace très réduit.

Le schéma électronique

Avant la fabrication d'une carte, les ingénieurs réalisent un schéma électronique. Il représente le fonctionnement du circuit à l'aide de symboles normalisés correspondant aux différents composants.

Le schéma indique les connexions entre les composants, mais ne représente pas leur position réelle sur la carte. Une fois le schéma validé, il sert à concevoir le circuit imprimé qui sera ensuite fabriqué et assemblé.

Des circuits de plus en plus complexes

Les premiers circuits électroniques ne comportaient que quelques composants. Aujourd'hui, certains appareils renferment plusieurs cartes électroniques et des circuits intégrés contenant plusieurs milliards de transistors.

La bobine, aussi appelée inductance, est un composant constitué d'un fil conducteur enroulé en plusieurs spires. Lorsqu'un courant électrique traverse ce fil, il crée un champ magnétique autour de la bobine.

Contrairement à une résistance qui limite le courant ou à un condensateur qui stocke de l'énergie sous forme électrique, une bobine stocke temporairement de l'énergie dans son champ magnétique et s'oppose aux variations du courant.

Cette propriété est utilisée dans les alimentations à découpage, les relais, les transformateurs, les moteurs électriques, les haut-parleurs et de nombreux autres dispositifs électroniques.

Constitution d'une bobine

Une bobine est réalisée en enroulant un fil conducteur, généralement en cuivre émaillé (pour l'isoler), autour d'un support appelé mandrin.

Certaines bobines sont simplement enroulées dans l'air. D'autres possèdent un noyau magnétique en fer, en ferrite ou dans un autre matériau ferromagnétique afin de renforcer le champ magnétique produit.

L'intensité du champ magnétique dépend principalement du nombre de spires, de l'intensité du courant et de la nature du noyau.

L'inductance

La capacité d'une bobine à s'opposer aux variations du courant est appelée inductance. Elle se mesure en henrys (H), en hommage au physicien américain Joseph Henry.

Les valeurs utilisées en électronique sont le plus souvent exprimées en :

• mH : millihenry (10^-3 H)
• µH : microhenry (10^-6 H)

Une bobine de forte inductance s'oppose davantage aux variations du courant qu'une bobine de faible inductance.

L'auto-induction

Lorsqu'un courant augmente ou diminue dans une bobine, le champ magnétique varie lui aussi. Cette variation produit une tension qui s'oppose au changement de courant. Ce phénomène est appelé auto-induction.

La tension induite est donnée par la relation :

U = L × (ΔI / Δt)

où U est la tension (V), L l'inductance (H) et ΔI / Δt la vitesse de variation du courant.

Plus le courant varie rapidement, plus la tension produite est importante.

Lorsqu'on ouvre brutalement le circuit alimentant un relais, la bobine tente de maintenir le courant. Elle peut alors produire une surtension suffisamment élevée pour créer une étincelle sur les contacts de l'interrupteur.

L'énergie stockée

Pendant qu'un courant traverse une bobine, une partie de l'énergie électrique est stockée dans son champ magnétique.

Cette énergie est donnée par la relation :

E = ½ × L × I²

où E est l'énergie (J), L l'inductance (H) et I le courant (A).

Lorsque le courant diminue, cette énergie est restituée au circuit.

La réactance inductive

En courant continu, une bobine ne s'oppose qu'aux variations du courant. Une fois le courant stabilisé, elle se comporte presque comme un simple conducteur.

En courant alternatif, la situation est différente. La bobine s'oppose en permanence aux variations du courant. Cette opposition est appelée réactance inductive.

X_L = 2πfL

où X_L est la réactance (Ω), f la fréquence (Hz) et L l'inductance (H).

Plus la fréquence augmente, plus la bobine freine le passage du courant alternatif.

Les différents types de bobines

• Les bobines à air

  Leur noyau est simplement constitué d'air. Ces bobines sont utilisées dans les circuits haute fréquence, notamment en radio.

• Les bobines à noyau de ferrite

  La ferrite renforce le champ magnétique tout en limitant les pertes à haute fréquence. Ces bobines sont très utilisées dans les alimentations à découpage et les filtres.

• Les bobines à noyau de fer

  Leur noyau en fer permet d'obtenir une forte inductance. Elles sont utilisées dans les transformateurs, les électroaimants et certains moteurs électriques.

• Les selfs de filtrage

  Une self est une bobine spécialement conçue pour filtrer les variations de courant et supprimer les parasites électriques dans les alimentations.

Les associations de bobines

Plusieurs bobines peuvent être montées dans un même circuit.

En série, leurs inductances s'additionnent lorsque les couplages magnétiques sont négligeables.

L = L₁ + L₂ + L₃

En parallèle, l'inductance équivalente diminue selon une relation comparable à celle des résistances en parallèle.

1 / L = 1 / L₁ + 1 / L₂ + ...

Les principales utilisations

Les bobines sont utilisées pour fabriquer des électroaimants, des relais, des transformateurs, des moteurs électriques, des alternateurs, des haut-parleurs, des microphones dynamiques, des filtres électroniques, des oscillateurs, des antennes radio et des alimentations à découpage.

Dans un relais, la bobine crée un champ magnétique qui attire un contact mobile. Dans un haut-parleur, elle met la membrane en mouvement grâce à son interaction avec un aimant permanent. Dans un transformateur, deux bobines permettent de transférer l'énergie d'un circuit vers un autre par induction électromagnétique.

Précautions d'utilisation

Une bobine peut produire une forte surtension lorsque le courant est interrompu brutalement. Pour protéger les composants électroniques, on place souvent une diode de roue libre en parallèle des bobines de relais, d'électrovannes ou d'autres charges inductives alimentées en courant continu.

Le noyau magnétique peut également atteindre la saturation magnétique si le courant devient trop important. Au-delà de cette limite, l'inductance diminue fortement et la bobine perd une partie de son efficacité.

Une rallonge électrique sur un enrouleur se comporte comme une bobine : elle crée un champs magnétique et donc un échauffement. C'est pourquoi il faut toujours dérouler entièrement le câble lors de l'utilisation pour éviter une surchauffe qui provoquerait un incendie.