Partager l’article

Recevez votre guide offert : les 7 erreurs en conception PCB à connaître et éviter

Bienvenue ! Je suis Maurice, ingénieur en conception de PCB. Mon objectif est de vous guider pour maîtriser la conception de cartes électroniques.

Composants actifs en électronique

Vue en gros plan de divers petits composants électroniques, notamment des puces, sur une surface à motifs

L’électronique moderne, des microprocesseurs les plus complexes aux simples circuits de régulation, repose sur une synergie entre deux grandes familles de composants : les passifs et les actifs. Si les premiers, tels que les résistances ou les condensateurs, sont essentiels pour absorber, stocker ou réguler l’énergie, ce sont les composants actifs qui confèrent aux circuits leur capacité à traiter, modifier et amplifier les signaux. Un composant est défini comme actif s’il est capable d’affecter les signaux électriques en modifiant leurs paramètres, par exemple en les amplifiant, en utilisant une source d’énergie externe. Contrairement aux éléments passifs, qui se comportent comme une charge et ne peuvent qu’absorber et stocker de l’énergie, les composants actifs sont les éléments moteurs d’un circuit.

Le rôle principal d’un composant actif est de fournir un gain, c’est-à-dire une augmentation de la puissance, de la tension ou du courant d’un signal. Cette capacité à générer un signal de sortie plus puissant que le signal d’entrée est au cœur de fonctions cruciales comme l’amplification. Les composants actifs pilotent et contrôlent le circuit, tandis que les composants passifs le stabilisent et le soutiennent.

La distinction entre ces deux catégories repose sur plusieurs critères fondamentaux :

Exigence d’alimentation : Les composants actifs, par définition, ont besoin d’une source d’alimentation externe pour fonctionner, sans laquelle ils sont inertes. Les composants passifs, en revanche, ne nécessitent aucune alimentation et opèrent naturellement au sein du circuit, influençant le flux d’électricité sans le modifier activement.
Fonctionnalité principale : Les composants actifs sont les cerveaux des circuits, capables d’amplifier, de contrôler ou de commuter des signaux. Les composants passifs, quant à eux, stockent, régulent ou filtrent l’énergie électrique pour maintenir la stabilité et l’efficacité du circuit.
Exemples : Cette classification se manifeste par des exemples concrets. Les transistors, les circuits intégrés et les amplificateurs opérationnels (AOP) sont des exemples de composants actifs, tandis que les résistances, les condensateurs et les inductances sont des composants passifs. Un point de nuance important concerne les diodes qui, bien que parfois classées comme actives car elles modifient la forme du signal, ne fournissent pas de gain, ce qui les place à la frontière de cette définition.

La relation entre composants actifs et passifs n’est pas une opposition, mais plutôt une synergie complémentaire. Un amplificateur basé sur un transistor, par exemple, dépend entièrement de la présence de résistances et de condensateurs pour sa polarisation et le filtrage des signaux. Les composants passifs sont donc des éléments facilitateurs, essentiels à la conception de circuits fonctionnels et fiables. Comprendre cette interdépendance est fondamental pour concevoir des systèmes électroniques performants. Le tableau suivant résume ces différences clés.

Fonctionnalité	Composants Actifs	Composants Passifs
Exigence d’alimentation	Nécessitent une source d’alimentation externe	Fonctionnent naturellement sans alimentation externe
Rôle principal	Amplifient, contrôlent, ou commutent des signaux	Stockent, régulent, ou filtrent l’énergie électrique
Contrôle du signal	Modifient activement les signaux électriques	Influencent le flux d’électricité, mais ne le modifient pas
Exemples courants	Transistors, CI, amplificateurs opérationnels, diodes	Résistances, condensateurs, inductances, transformateurs

Les Diodes

La diode est un composant semi-conducteur fondamental, conçu pour permettre le passage du courant dans un seul sens. Son principe de fonctionnement repose sur la jonction d’un matériau semi-conducteur de type P (riche en porteurs de charge positifs, les trous) et d’un matériau de type N (riche en porteurs de charge négatifs, les électrons).

Principes de la Jonction P-N

Au point de jonction entre les zones P et N, un phénomène de diffusion se produit, où les électrons de la zone N se recombinent avec les trous de la zone P. Ce processus crée une zone de déplétion ou zone de charge d’espace dépourvue de porteurs de charge libres, agissant comme une barrière isolante et bloquant le passage du courant.

Le fonctionnement d’une diode dépend de la polarisation appliquée :

Polarisation directe : Lorsqu’une tension positive est appliquée à la zone P (anode) et une tension négative à la zone N (cathode), la barrière de potentiel de la zone de déplétion est réduite. Au-delà d’une certaine tension de seuil (environ 0,7V pour le silicium), le courant peut circuler facilement de l’anode vers la cathode. La diode se comporte alors comme un interrupteur fermé.
Polarisation inverse : Si la polarité est inversée, la tension augmente la barrière de potentiel, élargissant la zone de déplétion. Le courant ne peut plus circuler, et la diode agit comme un interrupteur ouvert, bloquant le circuit.

Les Diodes de Redressement

Une application majeure des diodes est le redressement, qui consiste à convertir un courant alternatif (AC) en courant continu (DC). Les diodes servent ici d’interrupteurs unidirectionnels non commandés, leur commutation se produisant naturellement avec la variation de la tension.

Les montages de redressement les plus courants sont :

Le redressement simple alternance : Ce montage utilise une seule diode pour bloquer une alternance complète du signal sinusoïdal d’entrée, ne laissant passer que l’autre moitié. Bien que simple, ce circuit a une faible efficacité car il gaspille la moitié de l’énergie de l’onde.
Le redressement double alternance (pont de Graetz) : Ce circuit utilise un pont de quatre diodes pour redresser les deux alternances. Il permet de transformer le signal négatif en une forme d’onde positive continue, offrant une bien meilleure efficacité d’utilisation de l’énergie. Le courant redressé peut ensuite être lissé par un condensateur pour produire une tension continue stable.

Bien que la diode soit parfois classée comme un composant actif en raison de sa capacité à modifier la forme d’un signal, il est important de noter qu’elle n’est pas capable d’amplifier un signal en puissance. Cette absence de gain la place dans une catégorie hybride, à la frontière avec les composants passifs.

La Diode Zener

La diode Zener est une variante de la diode de redressement conçue pour exploiter un phénomène qui est normalement destructeur : le claquage inverse. Au lieu de subir une défaillance irréversible, la diode Zener est dopée de manière à ce que, lorsqu’elle est polarisée en inverse et que la tension à ses bornes atteint un seuil de claquage ( $V_{z}$ ), elle commence à conduire et maintient cette tension quasiment constante, même si le courant qui la traverse ou la tension d’entrée varie. C’est cette propriété de stabilisation de tension qui fait de la Zener un composant actif essentiel pour la régulation.

Le principe d’ingénierie qui sous-tend la diode Zener est remarquable. Il illustre comment un phénomène de défaillance, normalement associé à la destruction d’un composant, peut être non seulement maîtrisé mais aussi transformé en une fonctionnalité précieuse et fiable. La capacité de la Zener à maintenir une tension stable dépend de sa résistance dynamique ( $R_{z}$ ), une valeur qui n’est pas nulle et qui fait varier légèrement la tension de sortie en fonction du courant.

La Diode Électroluminescente (LED)

La diode électroluminescente, ou LED (Light-Emitting Diode), est un type de diode qui émet de la lumière lorsqu’elle est polarisée en sens direct. Le principe physique derrière cette fonction est l’électroluminescence. Lorsqu’un courant traverse la jonction P-N, les électrons de la zone N et les trous de la zone P se recombinent. Dans certains semi-conducteurs spécifiques, cette recombinaison libère de l’énergie sous forme de quanta de rayonnement, appelés photons. La couleur de la lumière émise dépend du gap d’énergie du matériau semi-conducteur utilisé.

Les LED sont omniprésentes dans le monde moderne, avec des applications qui vont bien au-delà de la simple illumination. On les trouve dans l’éclairage général, les feux de circulation, les panneaux de signalisation de sécurité et les écrans, offrant à la fois une haute efficacité énergétique et une longue durée de vie.

Les Transistors

Le transistor est sans conteste le composant le plus important de l’électronique moderne. Sa capacité à agir à la fois comme un interrupteur commandé et comme un amplificateur en fait la pierre angulaire de tous les circuits électroniques complexes, des microprocesseurs aux amplificateurs audio.

Les Transistors comme Interrupteurs et Amplificateurs

Le principe de base d’un transistor est qu’un signal de commande de faible puissance sur l’une de ses bornes (la base ou la grille) peut contrôler un courant beaucoup plus important circulant entre ses deux autres bornes (le collecteur et l’émetteur, ou le drain et la source). Cette fonctionnalité duale donne naissance à deux modes de fonctionnement principaux :

En commutation (mode non-linéaire) : Le transistor agit comme un interrupteur électronique qui est soit complètement ouvert, soit complètement fermé.
En amplification (mode linéaire) : Le transistor agit comme un amplificateur, où le signal de sortie est une version agrandie et proportionnelle du signal d’entrée.

Les Familles de Transistors : BJT vS FET

Deux familles principales de transistors dominent l’électronique : les transistors à jonction bipolaire (BJT) et les transistors à effet de champ (FET).

Un BJT est fabriqué en joignant trois couches de semi-conducteurs dopés (NPN ou PNP). Il est un composant piloté en courant : un faible courant circulant dans la borne de la base ( $I_{B}$ ) contrôle un courant beaucoup plus important entre le collecteur et l’émetteur ( $I_{C}$ ). Le paramètre clé qui caractérise cette amplification est le gain en courant continu, noté hFE ou β (bêta). Il est défini comme le rapport entre le courant du collecteur et le courant de la base, soit hFE=IC/IB. Un hFE élevé signifie que le transistor peut amplifier le courant de manière plus significative.

Les FET (incluant les MOSFET et les JFET) sont des composants pilotés en tension. Le courant qui circule entre le drain et la source ( $I_{d}$ ) est contrôlé par la tension appliquée entre la grille et la source ( $V_{g s}$ ). Un paramètre crucial pour les FET est la tension de seuil ( $V_{g s t h}$ ), qui représente la tension minimale nécessaire entre la grille et la source pour que le transistor commence à conduire et agisse comme un interrupteur fermé.

Le choix entre BJT et FET dans la conception d’un circuit dépend de leurs caractéristiques respectives, résumées dans le tableau suivant :

Caractéristique	Transistor bipolaire (BJT)	Transistor à effet de champ (FET)
Mécanisme de contrôle	Piloté en courant ( $I_{B}$ contrôle $I_{C)}$	Piloté en tension ( $V_{g s}$ contrôle $I_{d}$ )
Impédance d’entrée	Basse	Très haute
Gain	Gain en courant ( $h_{FE}$ ) élevé	Gain en tension plus élevé en raison de l’impédance
Consommation d’énergie	Plus élevée (surtout dans les applications numériques)	Plus faible, idéale pour les appareils portables
Vitesse de commutation	Généralement plus rapide	Plus lente, mais meilleure performance à haute fréquence
Sensibilité à la température	Plus sensible en raison du transport des porteurs	Meilleure stabilité sur une large plage de températures

Les Modes de Fonctionnement

Un transistor a trois modes de fonctionnement principaux, deux pour la commutation et un pour l’amplification.

Régime de Commutation (mode non-linéaire) :

Régime de coupure : Lorsque le courant de base ( $I_{B}$ ) ou la tension de grille ( $V_{g s}$ ) est insuffisant, le transistor est éteint et agit comme un interrupteur ouvert. Le courant de sortie est nul.
Régime de saturation : Lorsque le signal de commande est suffisant, le transistor est allumé et conduit le courant au maximum. La tension entre le collecteur et l’émetteur ( $V_{ce}$ ) est alors très faible, et le transistor agit comme un interrupteur fermé.

Régime d’Amplification (mode linéaire ou actif) :

Dans ce mode, le transistor se comporte comme un amplificateur. De petites variations du signal d’entrée (courant de base ou tension de grille) entraînent des variations proportionnelles et amplifiées du courant de sortie. Le montage le plus répandu pour l’amplification est l’amplificateur à émetteur commun pour les BJT et l’amplificateur à source commune pour les FET.

Applications Avancées et Protection

Les transistors sont largement utilisés dans la commande de charges, telles que des LED, des moteurs et des relais. Dans le cas de la commande d’un relais, qui est une charge inductive (une bobine), un phénomène de retour de tension peut se produire lors de l’ouverture du transistor, générant une surtension qui peut détruire le composant actif. Pour protéger le transistor, une diode spéciale, appelée diode de roue libre, est placée en parallèle avec la bobine du relais. Cette diode est orientée de telle sorte qu’elle ne conduit pas en fonctionnement normal. Cependant, au moment où la tension de retour apparaît, elle s’active et court-circuite le pic de tension, dissipant l’énergie dans la bobine elle-même et protégeant ainsi le transistor. Ce cas pratique illustre parfaitement la complémentarité entre composants actifs et passifs et l’importance d’une approche systémique dans la conception de circuits.

Les Circuits Intégrés

Un circuit intégré, également appelé micro-puce ou simplement puce, est un assemblage compact et miniaturisé de circuits électroniques. Il intègre sur un même substrat (le plus souvent en silicium) de nombreux composants, tels que des transistors, des résistances et des condensateurs, ainsi que leurs interconnexions. L’intégration de millions de transistors sur une seule puce a révolutionné l’électronique en rendant possible la création d’appareils miniaturisés, puissants et peu coûteux, tels que les microprocesseurs et les mémoires.

Les Amplificateurs Opérationnels (AOP)

Un amplificateur opérationnel (AOP) est un circuit intégré actif qui sert d’amplificateur différentiel. Il amplifie la différence de tension entre ses deux entrées (une entrée inverseuse V– et une entrée non inverseuse V+). Un AOP peut fonctionner dans deux modes principaux :

Régime linéaire : Avec une rétroaction négative (la sortie est reliée à l’entrée inverseuse), l’AOP converge vers un point d’équilibre. Il peut alors réaliser des fonctions d’amplification de tension et d’opérations mathématiques (intégration, dérivation, addition, etc.).
Régime saturé : Sans rétroaction ou avec une rétroaction positive, la tension de sortie sature rapidement à sa valeur maximale ou minimale, limitée par les tensions d’alimentation. Ce mode est utilisé pour des applications comme les comparateurs.

La puissance de l’AOP ne réside pas seulement dans son gain intrinsèque extrêmement élevé, mais dans sa capacité à être dompté par des composants passifs externes pour réaliser des fonctions précises et prévisibles. Les montages fondamentaux, comme le suiveur de tension (ou buffer), l’amplificateur inverseur et l’amplificateur non-inverseur, montrent comment des résistances et des condensateurs externes permettent de contrôler la fonction de l’AOP et de stabiliser sa sortie.

Les Portes Logiques

Les portes logiques sont des composants électroniques fondamentaux qui traitent des signaux binaires (0 et 1) pour produire une sortie binaire basée sur les règles de l’algèbre de Boole. Elles sont construites à l’aide de transistors fonctionnant en mode de commutation (bloqué/saturé).

Les portes logiques fondamentales sont :

Porte OUI (YES) : La sortie est égale à l’entrée.
Porte NON (NOT) : La sortie est l’inverse de l’entrée.
Porte ET (AND) : La sortie est 1 seulement si toutes les entrées sont 1.
Porte OU (OR) : La sortie est 1 si au moins une des entrées est 1.
Porte NON-ET (NAND) : La sortie est l’inverse de la porte ET.
Porte NON-OU (NOR) : La sortie est l’inverse de la porte OU.
Porte OU Exclusif (XOR) : La sortie est 1 si une seule des entrées est à 1, mais pas les deux.

Les états logiques 0 et 1 ne correspondent pas à des valeurs uniques, mais à des plages de tension. Par exemple, pour les technologies TTL, le niveau logique bas varie de 0V à 0,8V, et le niveau logique haut de 2V à 5V. Le tableau suivant présente les tables de vérité des portes logiques fondamentales à deux entrées A et B.

TTL vS CMOS

Les circuits intégrés logiques sont fabriqués selon différentes technologies, les plus répandues étant la logique TTL et la logique CMOS.

TTL (Transistor-Transistor Logic) : Cette technologie utilise des transistors bipolaires. Les circuits TTL se caractérisent par une tension d’alimentation standard de 5V, une bonne vitesse de commutation et une robustesse, mais au prix d’une consommation d’énergie relativement élevée.
CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) : Cette technologie est basée sur l’utilisation de transistors MOSFET. Le principal avantage du CMOS est sa très faible consommation d’énergie, ce qui en fait le choix privilégié pour les applications alimentées par batterie. De plus, les puces CMOS peuvent fonctionner sur une plus grande plage de tensions d’alimentation que les puces TTL.

Le choix entre la technologie TTL et CMOS est un compromis d’ingénierie qui illustre la complexité de la conception de systèmes électroniques. Un concepteur doit arbitrer entre des performances de vitesse plus élevées (TTL) et une meilleure efficacité énergétique (CMOS) pour répondre aux contraintes d’une application donnée, que ce soit pour un ordinateur portable ou un microcontrôleur embarqué.

Guide offert sur les 7 erreurs fatales en conception pcb

Recevez votre guide offert qui vous révèle comment éviter les 7 erreurs fatales pour concevoir des PCB

Les Composants de Puissance

Les composants d’électronique de puissance sont essentiels pour le contrôle des forts courants et des tensions élevées, notamment dans les systèmes de conversion d’énergie et de contrôle de moteurs. Les thyristors et les TRIACs, déclenchés par les DIACs, sont des acteurs majeurs de cette discipline.

Le Thyristor

Le thyristor, ou redresseur contrôlé au silicium, est un composant à quatre couches de semi-conducteur (p-n-p-n) qui se comporte comme un interrupteur unidirectionnel. Sa principale caractéristique est qu’il peut être mis en conduction par une impulsion de courant de faible intensité sur sa gâchette. Une fois amorcé, le thyristor reste conducteur, même après la suppression du signal de commande, tant que le courant qui le traverse ne descend pas en dessous d’une valeur minimale appelée courant de maintien. Pour l’éteindre, il est nécessaire de réduire le courant de la charge en dessous de ce seuil, par exemple en coupant momentanément l’alimentation.

Le TRIAC

Le TRIAC est un composant symétrique, souvent représenté comme l’équivalent de deux thyristors montés tête-bêche. Contrairement au thyristor qui ne conduit que dans un seul sens, le TRIAC est bidirectionnel et peut conduire le courant dans les deux directions. Il est idéal pour les circuits en courant alternatif, car il peut être amorcé par une impulsion sur sa gâchette, que la polarité soit positive ou négative. Une fois déclenché, il reste conducteur jusqu’au passage par zéro de la tension du signal alternatif, ce qui en fait un composant privilégié pour le contrôle de puissance en AC.

Le DIAC

Le DIAC (Diode Alternating Current) est une diode bidirectionnelle qui ne conduit pas tant que la tension à ses bornes ne dépasse pas une certaine tension de claquage, appelée breakover voltage (généralement autour de 32 ou 40V). Le DIAC ne sert pas à la régulation de puissance, mais agit comme un déclencheur pour le TRIAC. Dans un circuit, le DIAC se déclenche à un moment précis du cycle AC, et l’impulsion de courant qu’il libère est suffisante pour amorcer le TRIAC.

Applications de l’Électronique de Puissance

Les thyristors et les TRIACs trouvent des applications cruciales dans le contrôle des fortes puissances. Les gradateurs de lumière (dimmers) sont un exemple classique. En utilisant un TRIAC et un circuit de déclenchement (souvent basé sur un DIAC), il est possible de faire varier la luminosité d’une lampe en modifiant le point d’amorçage du TRIAC dans le cycle du courant alternatif. En retardant l’amorçage, le TRIAC ne conduit que pendant une partie du cycle, réduisant ainsi la puissance délivrée à la lampe. D’autres applications incluent la régulation de la vitesse des moteurs, la commande des systèmes de chauffage et les systèmes d’alimentation sans coupure.

Perspectives d’Avenir

Ce cours a exposé la nature et les fonctions des principaux composants actifs, en établissant une distinction claire avec les composants passifs. Des diodes, qui contrôlent le flux unidirectionnel, aux transistors, qui sont à la fois amplificateurs et interrupteurs, chaque composant remplit une fonction essentielle. La miniaturisation et l’intégration de millions de transistors sur une seule puce (circuits intégrés) ont été une révolution, permettant de réaliser des fonctions complexes comme les opérations mathématiques analogiques (AOP) et le traitement des données binaires (portes logiques). Les composants de puissance comme les thyristors et les TRIACs complètent ce tableau en offrant la capacité de contrôler des courants et des tensions importants.

Le transistor demeure la pierre angulaire de toute l’électronique moderne. La course à l’efficacité énergétique, à la vitesse de commutation et à la densité d’intégration a conduit à des compromis techniques qui continuent de façonner la conception des systèmes, du plus petit capteur au plus grand serveur. Les tendances futures pourraient à terme remplacer certains composants électroniques rigides et fragiles par de nouveaux dispositifs souples et transparents, ouvrant la voie à des applications insoupçonnées dans le domaine des semi-conducteurs. Cette évolution continue de démontrer que la créativité en ingénierie réside non seulement dans l’invention de nouveaux principes, mais aussi dans l’application ingénieuse de ceux qui existent déjà.

Articles complémentaires :