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Composants [68]

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Les composants sont les briques de base sans lesquelles il n’y aurait pas de télécommunications, d’appareils vidéo etc. Sans composants, l’électronique ne serait qu’une boîte vide.
On distingue les composants actifs qui ont les fonctions nobles d’amplifier, de mélanger, de commuter, des composants passifs qui sont néanmoins nécessaires comme réserve d’énergie, absorbeurs d’énergie, filtre, résonateurs. Il faut la tête et les jambes.

Dans certains cas, on peut avoir des comportements hybrides : faire jouer un rôle de composant actif à un composant passif et vice-versa.
Les matériaux magnétiques qui servent normalement de réservoir d’énergie magnétique dans les composants passifs que sont les selfs peuvent en raison de leur caractéristique de saturation se comporter comme des interrupteurs. C’est le principe des amplificateurs magnétiques.
Un transistor à effet de champ peut se comporter comme une résistance que l’on peut ajuster par une tension. Ce principe est utilisé pour réguler en amplitude les oscillateurs à pont de Wien.
Un composant actif est un composant qui est capable de multiplier un signal par un coefficient constant. C’est la fonction amplification idéale qui a été la première recherchée.
Elle a permis d’améliorer la sensibilité des récepteurs radio, d’écouter sur haut-parleur les faibles signaux que l’on entendait sur casque, et d’augmenter la puissance des émetteurs radio. L’autre fonction très importante est le comportement non-linéaire du type redresseur ou diode qui permet d’enrichir le spectre présenté à l’entrée. C’est le principe des mélangeurs de fréquence qui permettent les transpositions de fréquence et le fonctionnement de tous les récepteurs de radio. Une amplification poussée au maximum produit des écrêtages et un enrichissement du spectre comme avec les diodes et on aboutit au fonctionnement en commutation comme avec un interrupteur ouvert ou fermé ; c’est la base des circuits logiques et de l’informatique.
Deux générations entièrement différentes de composants actifs se sont succédées.
La première génération est celle des composants à effet thermo-ionique où un flux d’électrons émis par un métal chauffé est modulé par l’effet de champ produit par des électrodes portées à certains potentiels. Ce courant modulé est recueilli par une électrode collectrice portée au potentiel le plus positif appelée plaque et qui est amenée à dissiper l’essentiel de la puissance du tube. Ces composants fonctionnent dans le vide. En augmentant la taille des électrodes et en améliorant le refroidissement par de l’eau, on peut obtenir des tubes de grande puissance avec des dissipations de centaines de kW. Cette génération a eu pour pionniers Edison, Flemming et Lee de Forest.
La deuxième génération a été développée aux Etats-Unis pendant la seconde guerre mondiale et a abouti en 1948 à la mise au point aux laboratoires Bell des composants à semi-conducteurs.
Tout y repose sur les propriétés de semi-conducteurs du type germanium, silicium, arséniure de gallium où une petite proportion de dopants leur donne un caractère P ou N. Les associations de zones P et N donnent les diodes , transistors, thyristors etc.
Dans les transistors bipolaires à jonctions PNP ou NPN, l’effet d’amplification est obtenu en associant des couches de semi-conducteurs de différentes épaisseurs et de différents dopages. Le résultat est qu’avec un petit courant de contrôle entre une source appelée émetteur et une couche de contrôle appelée base on arrive à contrôler un courant 100 fois plus grand passant directement de l’émetteur vers le collecteur. Ces transistors avec une commande par un courant ne se trouvent plus que dans quelques niches d’application spécifiques comme les tensions de service >1000V. La très grande majorité des transistors existant maintenant et surtout dans les composants logiques comme les micro-processeurs et les mémoires sont du type commande en tension par un effet de champ. Ce sont les transistors Metal Oxyde : MOSfet. La grille de commande crée un canal conducteur entre une source et un drain. L’avantage de ce principe est possibilité de miniaturisation, les faibles courants de commande et de fuite et la réduction des tensions d’alimentation. On arrive à ainsi intégrer des dizaines de millions de transistors sur moins d’un cm2.
Un composant actif très particulier pourtant ancien n’arrive pas à être supplanté par les composants actifs : ce sont les relais électromécaniques. Ils se composent d’un interrupteur mis en mouvement par un électro-aimant. Ces composants n’ont pas de limitation en tension et en courant pouvant être interrompu tandis que les semi-conducteurs sont limités aux environs de 3000 V en tension et de 3000 A en courant. On peut toujours réaliser des associations série-parallèle pour augmenter les tensions et courants mais la commande synchronisée des composants devient un usine à gaz...
Dans le même ordre d’idée, on a les interrupteurs à plasma : un gaz qui devient conducteur par ionisation en avalanche par effet de champ. Ce sont les parafoudres à gaz qui peuvent contrôler des dizaines de milliers d’ampères.
Un composant passif est un composant capable de stocker de l’énergie, de la dissiper, ou d’y changer le rapport tension/courant :
Si le stockage se fait dans un volume de matériau magnétique : c’est la définition de la self L ; l’énergie stockée est E = ½ x L x I^2 avec I = courant traversant la self.
Si le stockage se fait dans un volume de matériau diélectrique : c’est la définition de la capacité C. L’énergie stockée est E = ½ x C x V^2 avec V = tension appliquée.
L’intérêt des composants de type self et capacité est leur relation entre tension et courant qui varie en fonction de la fréquence F d’où leur intérêt pour réaliser des filtres en fréquence.
Dans une capacité : I = V x C x 2 x 3.14 x F
Dans une self : I = V / ( 2 x 3.14 x L x L)
De plus la tension et le courant sont déphasés de 90°. La caractéristique remarquable de ces composants dits réactifs est se laisser traverser par des courants sans échauffement à la différence des résistances.
Un composant qui dissipe de l’énergie est une résistance : Loi d’Ohm : V = R x I avec V = tension aux bornes de la résistance R parcourue par le courant I.
Le composant qui change le rapport entre la tension V et courant I est un transformateur. La puissance P = V x I y est conservée. Il est réalisé avec des bobinages ayant des nombres de spires différents enroulés sur le même circuit magnétique. Le bobinage qui reçoit la puissance est appelé primaire P = Vprimaire X Iprimaire, celui qui restitue la puissance après transformation est appelé secondaire. P = Vsecondaire x Isecondaire . Les relations du transformateur sont
P = Vp x Ip = n Vp x Ip/n avec n = rapport de transformation = Vs / Vp = Ip / Is = Nombre de spires du bobinage secondaire / Nombre de spires du bobinage primaire.
Et Zp = Vp / Ip et Zs = Vs / Is avec Zs = n^2 x Zp.
TOUS les appareils utilisant la tension du secteur 230V alternatif utilisent un ou plusieurs transformateurs pour abaisser cette tension en une plus basse tension comme par exemple 12V pour alimenter un poste de radio à transistors.