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.

Les composants électroniques convertissent une partie de l'énergie électrique qu'ils consomment en chaleur. Cette chaleur est particulièrement importante dans les processeurs, les cartes graphiques, les circuits de puissance, les alimentations ou les amplificateurs audio.

Si cette chaleur n'est pas correctement évacuée, la température augmente progressivement. Les performances diminuent, les composants vieillissent plus rapidement et des pannes peuvent apparaître. Les systèmes de refroidissement ont donc pour rôle de maintenir les circuits électroniques dans une plage de température compatible avec leur bon fonctionnement.

Pourquoi les composants chauffent-ils ?

Lorsqu'un courant électrique traverse un composant, une partie de l'énergie est dissipée sous forme de chaleur. Ce phénomène provient principalement de la résistance électrique des matériaux et des commutations très rapides des transistors.

Plus un circuit contient de transistors et fonctionne à une fréquence élevée, plus il produit de chaleur. Les processeurs modernes, qui renferment plusieurs milliards de transistors, peuvent ainsi dissiper plusieurs dizaines, voire plusieurs centaines de watts.

La puissance thermique

La quantité de chaleur produite dépend de la puissance électrique consommée par le composant.

P = U × I

où P est la puissance en watts (W), U la tension en volts (V) et I l'intensité du courant en ampères (A).

Une grande partie de cette puissance est transformée en chaleur qu'il faut évacuer vers l'extérieur.

La conduction thermique

La chaleur quitte d'abord le composant par conduction thermique.

Elle se propage du silicium vers le boîtier du circuit intégré, puis vers le système de refroidissement.

Les métaux comme le cuivre ou l'aluminium conduisent très bien la chaleur et sont donc largement utilisés pour fabriquer les dissipateurs thermiques.

Les dissipateurs thermiques

Le dissipateur thermique, appelé aussi radiateur, est un bloc métallique fixé directement sur le composant.

Il possède de nombreuses ailettes qui augmentent fortement la surface de contact avec l'air.

Plus cette surface est importante, plus la chaleur est facilement transférée vers l'environnement.

Les dissipateurs passifs sont utilisés sur les petits composants, les régulateurs de tension, certains microcontrôleurs ou les mémoires.

La pâte thermique

Entre le composant et le dissipateur, il subsiste toujours de minuscules irrégularités qui emprisonnent de l'air.

Or l'air est un mauvais conducteur thermique.

On applique donc une fine couche de pâte thermique afin de combler ces imperfections et d'améliorer le transfert de chaleur.

La pâte thermique n'assure pas elle-même le refroidissement ; elle facilite simplement le passage de la chaleur entre les deux surfaces.

Le refroidissement par air

Lorsque le dissipateur seul ne suffit plus, on utilise un ventilateur.

Celui-ci force la circulation de l'air entre les ailettes et accélère considérablement l'évacuation de la chaleur.

Cette technique équipe la majorité des ordinateurs, des cartes graphiques, des alimentations et des consoles de jeux.

La vitesse du ventilateur est souvent régulée automatiquement en fonction de la température du composant.

Les caloducs

Les caloducs (heat pipes) sont des tubes métalliques contenant une faible quantité de liquide.

Lorsque la partie située près du composant chauffe, le liquide s'évapore puis transporte rapidement la chaleur jusqu'à la partie froide du tube, où il se condense avant de revenir vers la source de chaleur.

Cette circulation interne permet de déplacer efficacement la chaleur vers un dissipateur plus volumineux.

Les caloducs sont très utilisés dans les ordinateurs portables et les cartes graphiques.

Les chambres à vapeur

Les chambres à vapeur fonctionnent sur le même principe que les caloducs mais répartissent la chaleur dans deux dimensions.

Elles permettent d'uniformiser rapidement la température sur une grande surface avant son évacuation par un dissipateur.

On les retrouve dans les smartphones haut de gamme, les consoles de jeux et certaines cartes graphiques très puissantes.

Le refroidissement liquide

Les systèmes de refroidissement liquide utilisent un liquide caloporteur pour transporter la chaleur.

Un bloc métallique, appelé waterblock, est fixé sur le composant. Une pompe fait circuler le liquide jusqu'à un radiateur où la chaleur est évacuée par un ou plusieurs ventilateurs.

Ce système est particulièrement efficace pour refroidir les processeurs et les cartes graphiques les plus puissants.

Le refroidissement par immersion

Dans certains centres de calcul, les composants électroniques sont entièrement plongés dans un liquide isolant qui ne conduit pas l'électricité.

La chaleur est directement transférée au liquide puis évacuée vers un échangeur thermique.

Cette technique permet de refroidir efficacement des équipements très puissants tout en réduisant le bruit des ventilateurs.

La régulation thermique

Les processeurs modernes possèdent plusieurs capteurs de température intégrés.

Lorsque la température devient trop élevée, ils peuvent diminuer automatiquement leur fréquence d'horloge ou leur tension d'alimentation afin de réduire leur consommation électrique.

Ce mécanisme, appelé thermal throttling, protège le composant contre une surchauffe.

Si la température continue d'augmenter, l'appareil peut s'éteindre automatiquement afin d'éviter toute détérioration.

Les applications

Les systèmes de refroidissement sont présents dans les ordinateurs, les serveurs, les cartes graphiques, les consoles de jeux, les équipements industriels, les véhicules électriques, les alimentations de puissance, les amplificateurs audio et les centres de données.

Les smartphones, les tablettes et certains objets connectés utilisent principalement des dissipateurs miniatures, des feuilles de graphite ou des chambres à vapeur afin d'évacuer la chaleur malgré leur faible épaisseur.