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.

Le transistor est un composant électronique capable de commander, de commuter ou d'amplifier un courant électrique. Il permet à un signal faible de contrôler un courant beaucoup plus important.

Avant l'apparition des transistors, les appareils électroniques utilisaient principalement des lampes électroniques, volumineuses et fragiles. Le développement du transistor a permis de fabriquer des appareils beaucoup plus petits, plus rapides et moins énergivores.

La constitution d'un transistor

Un transistor est fabriqué à partir d'un matériau semi-conducteur, généralement du silicium. Comme une diode, il utilise les propriétés des jonctions entre différentes zones de semi-conducteur.

Le transistor bipolaire, appelé BJT (Bipolar Junction Transistor), possède trois bornes :

• la base (B) : elle reçoit le signal de commande ;
• le collecteur (C) : il laisse entrer le courant principal ;
• l'émetteur (E) : il laisse sortir ce courant.

Une faible variation du courant de base peut ainsi provoquer une variation beaucoup plus importante du courant circulant entre le collecteur et l'émetteur.

Le fonctionnement d'un transistor bipolaire

Le fonctionnement d'un transistor peut être comparé à celui d'un robinet. La base joue le rôle de la commande : une petite action sur cette borne permet de contrôler un débit beaucoup plus important entre le collecteur et l'émetteur.

Lorsque aucun courant ne circule dans la base, le transistor est bloqué. Le passage du courant entre le collecteur et l'émetteur est alors presque impossible.

Lorsqu'un courant suffisant arrive dans la base, le transistor devient passant. Le courant principal peut alors circuler dans le circuit.

Une sortie de microcontrôleur ne peut généralement pas alimenter directement un moteur électrique. Le transistor utilise alors le faible courant fourni par le microcontrôleur pour commander un courant plus important provenant d'une alimentation adaptée.

Le gain en courant

Le rapport entre le courant de collecteur et le courant de base est appelé gain en courant. Il est noté β (bêta).

I_C = β × I_B

où I_C représente le courant du collecteur, I_B le courant de base et β le gain du transistor.

Un transistor ayant un gain de 100 peut donc commander un courant de collecteur environ 100 fois supérieur au courant de base. Un courant de base de 1 mA peut ainsi permettre le passage d'environ 100 mA dans le circuit principal.

Les modes de fonctionnement

• Le mode interrupteur

  Dans de nombreux circuits, le transistor est utilisé comme un interrupteur électronique.

  Lorsqu'il est bloqué, il se comporte comme un interrupteur ouvert : le courant ne circule pas.

  Lorsqu'il est saturé, il se comporte comme un interrupteur fermé : le courant circule avec une faible résistance.

  Ce fonctionnement permet de commander rapidement des composants comme des LED, des relais ou des moteurs.

• Le mode amplificateur

  Un transistor peut également fonctionner en amplification. Dans ce cas, une petite variation du courant de base provoque une variation plus importante du courant de sortie.

  Ce principe est utilisé dans les amplificateurs audio. Le signal électrique produit par un microphone est très faible ; plusieurs transistors permettent de l'amplifier avant de l'envoyer vers un haut-parleur.

Les différents types de transistors

• Les transistors NPN

  Le transistor NPN est le type de transistor bipolaire le plus utilisé. Il devient conducteur lorsque la base reçoit une tension plus élevée que l'émetteur.

  Dans un montage simple, un transistor NPN peut commander une LED ou un relais : un faible courant appliqué sur la base permet d'alimenter le composant connecté au collecteur.

• Les transistors PNP

  Le transistor PNP fonctionne selon un principe inverse du transistor NPN. Il devient conducteur lorsque la base est portée à une tension plus faible que l'émetteur.

  Les transistors NPN et PNP sont souvent associés pour réaliser des circuits de commande plus complexes.

• Les transistors MOSFET

  Le MOSFET est un transistor commandé principalement par une tension appliquée sur une borne appelée grille.

  Contrairement au transistor bipolaire, la grille consomme très peu de courant. Cette particularité permet d'obtenir des transistors très efficaces capables de commuter rapidement des puissances importantes.

  Les MOSFET sont utilisés dans les alimentations électroniques, les variateurs de vitesse pour moteurs, les chargeurs et les circuits numériques.

Les protections associées aux transistors

Un transistor possède des limites de fonctionnement : tension maximale, courant maximal et puissance maximale dissipée.

Lorsqu'il commande une charge inductive comme un moteur ou un relais, la coupure du courant peut provoquer une forte surtension produite par la bobine. Une diode de protection est alors placée en parallèle afin d'absorber cette surtension.

Un transistor peut également chauffer lorsqu'il laisse passer un courant important. Dans les applications de puissance, il peut être associé à un dissipateur thermique afin d'évacuer la chaleur produite.

Les applications des transistors

Les transistors sont présents dans presque tous les appareils électroniques modernes.

Ils permettent de commander des moteurs, des relais, des éclairages, des écrans et des systèmes automatisés. Ils servent également à amplifier des signaux dans les appareils audio, les systèmes de communication et les instruments de mesure.

Dans les circuits intégrés, des milliards de transistors peuvent être regroupés sur une même puce. Ils réalisent alors les opérations logiques et les calculs nécessaires au fonctionnement des ordinateurs, des smartphones et de nombreux appareils numériques.