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 passifs en électronique

Une collection de composants électroniques passifs, incluant diverses inductances (bobines) et condensateurs.

En électronique, les composants sont traditionnellement classés en deux grandes catégories : les composants passifs et les composants actifs. Les composants passifs constituent le socle de tout circuit, agissant principalement comme une charge pour contrôler le flux de courant et de tension. Ils sont définis par leur incapacité à générer ou à amplifier un signal électrique, ne dépendant pas d’une source d’alimentation externe pour leur fonctionnement de base. Leur rôle se limite à absorber, à stocker ou à dissiper de l’énergie électrique. Ces fonctions passives sont essentielles à la stabilisation des circuits, au filtrage du bruit et à l’adaptation de l’impédance, garantissant un fonctionnement fiable et efficace de l’ensemble du système.

À l’opposé, les composants actifs sont les éléments moteurs des circuits électroniques. Ils nécessitent une source d’alimentation externe pour fonctionner et peuvent activement manipuler les signaux électriques, en les amplifiant, en les contrôlant ou en les commutant. Ces cerveaux des circuits, comme les transistors et les circuits intégrés, sont responsables de la puissance, du gain et du traitement des données. La fabrication des composants actifs est également plus complexe, impliquant des processus de semi-conducteurs sophistiqués, ce qui les rend généralement plus coûteux que leurs homologues passifs. La relation entre ces deux types de composants est symbiotique : les passifs soutiennent et stabilisent le circuit, permettant aux actifs de piloter et de contrôler les signaux de manière efficace.

Composant	Rôle principal	Unité de mesure	Symbole de l’unité
Résistance	Oppose le passage du courant, dissipe l’énergie en chaleur	Ohm	Ω
Condensateur	Stocke l’énergie dans un champ électrique	Farad	F
Inductance (Bobine)	Stocke l’énergie dans un champ magnétique, s’oppose aux variations de courant	Henry	H

La Résistance

Une résistance est un composant passif dont la fonction principale est de s’opposer au passage du courant électrique. Fabriquée à partir de matériaux à faible conductivité comme la céramique, elle est utilisée pour limiter l’intensité du courant et protéger les composants plus sensibles, comme les LED. En s’opposant au courant, la résistance convertit l’énergie électrique excédentaire en énergie thermique, un phénomène appelé effet Joule, dont on trouve des applications pratiques dans les éléments chauffants des fours ou des chauffe-eau. La capacité d’une résistance à limiter le courant est sa résistance, mesurée en Ohms ( $Ω$ ) en l’honneur du physicien allemand Georg Simon Ohm, qui a étudié la relation entre tension, courant et résistance. Cette relation fondamentale est exprimée par la loi d’Ohm : U=RxI où $U$ est la tension aux bornes du composant, $I$ est le courant qui le traverse, et $R$ est la valeur de la résistance. Il est important de noter que cette loi ne s’applique qu’aux résistances linéaires, et non aux composants à comportement non linéaire comme les diodes et les transistors.

Types et Caractéristiques

Les résistances peuvent être classées en deux catégories principales : les résistances fixes et les résistances variables. Les résistances fixes, qui ont une valeur de résistance immuable, comprennent les types les plus courants :

Les résistances à film de carbone et à film métallique sont fabriquées en déposant une fine couche de carbone ou de métal sur un noyau en céramique. Les résistances à film métallique sont plus précises (tolérance de ±1%) et génèrent moins de bruit que les résistances à film de carbone (tolérance de ±5%), qui sont considérées comme obsolètes dans de nombreuses applications modernes.
Les résistances bobinées sont fabriquées en enroulant un fil résistif (comme un alliage de nichrome ou de constantan) autour d’un noyau. Elles peuvent gérer des courants importants et sont utilisées dans des applications de puissance élevée, mais leur conception les rend moins efficaces à haute fréquence en raison de l’inductance parasite de la bobine.

Les résistances variables, quant à elles, permettent de modifier leur valeur en fonction d’un paramètre physique.

Les potentiomètres sont des résistances dont la valeur peut être ajustée manuellement. Composés de trois bornes, ils sont couramment utilisés comme diviseurs de tension pour contrôler le volume, la luminosité ou d’autres paramètres dans les circuits électroniques.
Les thermistances sont des résistances dont la valeur dépend de la température. Cette sensibilité les rend indispensables pour la mesure et la protection thermique, par exemple pour limiter le courant d’appel dans les alimentations ou pour protéger les moteurs.
Les photorésistances voient leur résistance varier en fonction de la lumière qui leur est appliquée.
Les varistances sont des résistances non linéaires dont la résistance diminue de manière drastique lorsque la tension augmente. Elles sont utilisées comme éléments de protection contre les surtensions, absorbant l’énergie excédentaire et se détruisant si nécessaire pour protéger le reste du circuit.

Cette variété de comportements révèle une sophistication sous-jacente des composants passifs. Alors que leur définition initiale suggère une absence de contrôle actif, la capacité des thermistances, des photorésistances et des varistances à modifier leur propre valeur en réponse à un stimulus physique (température, lumière, tension) leur confère un rôle dynamique qui est loin d’être statique. Ils agissent comme des capteurs ou des actionneurs passifs, élargissant ainsi leur utilité bien au-delà de la simple dissipation de l’énergie et démontrant qu’ils ne sont pas de simples charges mais des éléments cruciaux de la régulation et de la sécurité des circuits.

Spécifications Techniques et Code Couleur

Lors de la sélection d’une résistance, plusieurs spécifications techniques sont à prendre en compte. La valeur nominale est la valeur de résistance théorique attendue. La tolérance, exprimée en pourcentage, indique la déviation maximale par rapport à cette valeur nominale. Une tolérance plus faible (plus précise) est directement corrélée à un coût de fabrication plus élevé. La puissance nominale représente la quantité de puissance qu’une résistance peut dissiper en chaleur sans subir de dommages. Le non-respect de cette spécification peut entraîner une dégradation, une défaillance ou un risque d’incendie.

Pour les résistances standard, la valeur et la tolérance sont souvent indiquées à l’aide d’un code de couleurs. Ce code, composé de quatre bandes, permet de déterminer la valeur de la résistance et sa précision.

Association des Résistances

Dans un circuit électronique, les résistances peuvent être combinées de deux manières principales : en série ou en parallèle.

Association en série : Les résistances sont placées l’une après l’autre, formant un seul chemin pour le courant. La résistance équivalente ( $Re_{q}$ ) est simplement la somme des valeurs de chaque résistance individuelle : $R_{e q} = R_{1} + R_{2} + \dots + R_{n}$
Association en parallèle : Chaque résistance est connectée aux mêmes deux points, créant plusieurs chemins pour le courant. Dans cette configuration, la résistance équivalente est calculée en additionnant l’inverse de chaque résistance, puis en prenant l’inverse du résultat : (1/ $R ^{eq)} =(1/ R ^{1)} +(1/ R ^{2)} + \dots +(1/ R ^{n).}$

Il est important de noter que l’ajout de résistances en série augmente la résistance totale, tandis que l’ajout de résistances en parallèle la diminue.

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

Le Condensateur

Un condensateur est un composant passif conçu pour stocker de l’énergie électrique dans un champ électrique. Il fonctionne comme un réservoir ou un accumulateur d’énergie capable de se charger et de libérer cette énergie très rapidement. Un condensateur est constitué de deux plaques conductrices, appelées armatures, séparées par un matériau isolant connu sous le nom de diélectrique.

Lorsque le condensateur est connecté à une source de courant, des charges électriques s’accumulent sur les armatures, créant un déséquilibre de charge qui produit une différence de potentiel, ou tension. Cette capacité à accumuler des charges est sa caractéristique principale, mesurée en Farads (F). Le Farad est une unité très grande, c’est pourquoi les condensateurs sont généralement mesurés en sous-unités comme le microfarad ( $μ F$ ) ou le nanofarad ( $n F$ ).

Formules Fondamentales

La relation fondamentale qui lie la charge ( $q$ ) emmagasinée par un condensateur à la tension ( $U$ ) à ses bornes est donnée par la formule : $q = C \times U$ où $C$ est la capacité du condensateur. De plus, l’énergie potentielle électrique ( $E$ ) stockée dans le condensateur est exprimée par : $E =(1/2)x Cx U²^{.}$ Cette énergie est toujours positive et croît avec le carré de la charge ou de la tension.

Types et Polarité

Il existe plusieurs familles de condensateurs, qui se distinguent principalement par leur diélectrique. Les condensateurs non polarisés, comme les condensateurs céramiques et à film plastique, peuvent être connectés dans n’importe quel sens dans un circuit. En revanche, les condensateurs polarisés, comme les condensateurs électrolytiques (en aluminium ou au tantale), ont un pôle positif et un pôle négatif qui doivent être respectés. Une erreur de polarité peut provoquer leur destruction, voire une défaillance explosive.

Comportement en Circuit

Le comportement d’un condensateur est radicalement différent selon qu’il est soumis à un courant continu ou alternatif. En courant continu, une fois qu’il est complètement chargé, le condensateur bloque le courant et se comporte comme un circuit ouvert permanent. Cependant, en courant alternatif, un condensateur conduit le courant, mais avec une opposition appelée réactance capacitive.

La nature de cette réactance est ce qui rend le condensateur si fondamental en électronique. L’analyse révèle un paradoxe : bien que ses armatures soient séparées par un isolant, le condensateur « laisse passer » le courant alternatif. Ce n’est pas le passage physique des électrons à travers le diélectrique, mais le mouvement incessant des charges sur les plaques, induit par la variation de tension, qui constitue le flux de courant alternatif. Cette opposition dynamique est inversement proportionnelle à la fréquence du signal, ce qui signifie que plus la fréquence est élevée, plus le condensateur conduit le courant facilement. Cette propriété est le principe de base derrière les filtres passe-haut, où les condensateurs sont utilisés pour bloquer les basses fréquences tout en laissant passer les hautes fréquences. C’est ce rôle de filtrage dynamique qui fait du condensateur un élément essentiel de la régulation des signaux.

L’inductance

Définition et Fonctionnement

Une inductance, ou bobine, est un composant passif qui stocke l’énergie dans un champ magnétique. Son rôle principal est de s’opposer à toute variation du courant électrique qui la traverse. Une analogie simple pour comprendre ce phénomène est celle d’une roue d’inertie lourde : il faut un effort initial pour la mettre en mouvement (le courant monte), et une fois lancée, elle continue de tourner par inertie (le courant ne chute pas instantanément), même après l’arrêt de la force motrice. Cette « inertie électrique » est l’inductance, un phénomène décrit par la loi de Faraday sur l’induction électromagnétique.

Unité et Formules Fondamentales

L’inductance se mesure en Henry (H). La relation entre la tension ( $U$ ) aux bornes de l’inductance et la variation du courant est décrite par l’équation : $U = Lx(di / dt )$ où $L$ est l’inductance et $di/ dt$ est le taux de variation du courant dans le temps.

Types et Construction

Les inductances peuvent être classées en fonction de leur construction. Les inductances à noyau d’air sont de simples enroulements de fil sans noyau ferromagnétique. Elles ont une inductance plus faible mais sont idéales pour les applications à haute fréquence, car elles évitent les pertes de saturation du noyau. À l’inverse, les inductances à noyau ferromagnétique (en ferrite, fer, etc.) augmentent considérablement l’inductance pour une taille donnée. Ces types sont principalement utilisés dans les circuits basse fréquence.

La valeur de l’inductance est influencée par plusieurs facteurs de conception :

Le nombre de spires : un plus grand nombre de spires génère un champ magnétique plus fort pour le même courant, ce qui augmente l’inductance.
La surface de la bobine : une surface plus grande réduit l’opposition à la formation du flux magnétique, augmentant l’inductance.
La longueur de la bobine : une bobine plus longue offre un chemin plus long pour le flux magnétique, réduisant l’inductance.
Le matériau du noyau : l’utilisation d’un matériau à forte perméabilité magnétique (comme la ferrite) augmente considérablement l’inductance.

Comportement en Circuit

Tout comme le condensateur, le comportement d’une inductance varie selon le type de courant. En courant continu, une inductance s’oppose à la montée initiale du courant, mais une fois le champ magnétique stabilisé, elle agit comme un simple fil à faible résistance, se comportant comme un court-circuit idéal. En courant alternatif, l’inductance s’oppose au flux de courant avec une réactance inductive, qui est directement proportionnelle à la fréquence du signal. Plus la fréquence est élevée, plus l’opposition est grande.

Composant	Association en série	Association en parallèle
Résistance (R)	Req = R1 + R2 + … + Rn	(1/Req) = (1/R1) + (1/R2) + … + (1/Rn)
Condensateur (C)	(1/Ceq) = (1/C1) + (1/C2) + … + (1/Cn)	Ceq = C1 + C2 + … + Cn
Inductance (L)	Leq = L1 + L2 + … + Ln	(1/Leq) = (1/L1) + (1/L2) + … + (1/Ln)

Comportement en Régime Sinusoïdal

Dans le domaine du courant alternatif, le concept de la résistance est élargi à celui d’impédance (Z). L’impédance est la mesure de l’opposition totale d’un circuit au passage du courant alternatif. Contrairement à la résistance, qui ne s’applique qu’au courant continu, l’impédance est un nombre complexe qui englobe deux composantes :

La résistance (R) : la composante réelle de l’impédance qui dissipe l’énergie en chaleur.
La réactance (X) : la composante imaginaire liée au stockage temporaire et à la restitution de l’énergie dans les condensateurs et les inductances.

La réactance est elle-même divisée en deux types : la réactance inductive ( $X_{L}$ ) et la réactance capacitive ( $X_{C}$ ). Dans un circuit série RLC, l’impédance totale ( $Z$ ) est calculée en utilisant la règle de Pythagore, en raison de la relation de phase entre les composantes : Z= sqrt(R²+(XL−XC)²). Cette formule met en évidence la nature vectorielle de l’impédance et la capacité des réactances à s’annuler mutuellement.

Le Déphasage Tension-Courant

L’impédance est étroitement liée au concept de déphasage, qui décrit la relation temporelle entre les signaux de tension et de courant dans un circuit CA.

Pour une résistance pure, la tension et le courant sont en phase, ce qui signifie qu’ils atteignent leurs valeurs maximales et minimales au même instant (déphasage de 0°).
Pour une inductance pure, la tension est en avance sur le courant de 90° ( $2 π$ radians). On dit que la tension est en quadrature avant.
Pour un condensateur pur, le courant est en avance sur la tension de 90° ( $2 π$ radians).

Cette opposition de phase entre les composants réactifs est la clé de la conception des circuits CA. C’est en raison de cette relation vectorielle que la réactance capacitive et la réactance inductive s’opposent et peuvent s’annuler dans un circuit RLC. Cette annulation se produit à une fréquence spécifique, appelée fréquence de résonance, où l’impédance totale du circuit est minimale et devient purement résistive. Cette propriété est le principe de base des circuits d’accord dans les radios et les tuners, démontrant que le déphasage n’est pas une simple curiosité théorique, mais la justification physique de l’existence des filtres et des oscillateurs.

Composant	Comportement en courant continu	Comportement en courant alternatif
Résistance	S’oppose de manière constante au flux de courant	Son opposition au courant est identique à celle en DC
Condensateur	Une fois chargé, il agit comme un circuit ouvert, bloquant le courant	S’oppose de moins en moins au flux de courant à mesure que la fréquence augmente
Inductance	Permet au courant de circuler librement une fois le champ magnétique stable, agissant comme un court-circuit	S’oppose de plus en plus au flux de courant à mesure que la fréquence augmente

Applications Pratiques

Le Diviseur de Tension

Le diviseur de tension est un montage électronique fondamental qui permet de réduire une tension d’entrée à une valeur de sortie plus faible. Le plus couramment, il est composé de deux résistances en série. La tension de sortie ( $U_{2}$ ) est mesurée aux bornes de la deuxième résistance ( $R_{2}$ ) et est une fraction de la tension d’entrée ( $U$ ). La relation est exprimée par la formule : U2=Ux(R2/(R1+R2).

Cette configuration est largement utilisée pour créer des tensions de référence ou pour conditionner un signal à un niveau acceptable par un autre circuit. Un exemple pratique est l’utilisation d’un potentiomètre comme diviseur de tension pour contrôler des paramètres tels que le volume ou la luminosité. En outre, il existe des diviseurs de tension capacitifs qui fonctionnent sur le même principe, mais pour les signaux alternatifs.

Les Filtres Passifs (RC, LC, RLC)

Les filtres sont des circuits passifs essentiels qui permettent de manipuler les signaux en fonction de leur fréquence. Ils sont construits exclusivement à partir de combinaisons de résistances, de condensateurs et d’inductances. Il existe quatre types de base de filtres passifs, chacun ayant une fonction spécifique :

Les filtres passe-bas laissent passer les basses fréquences tout en bloquant les hautes fréquences.
Les filtres passe-haut fonctionnent à l’opposé, en laissant passer les hautes fréquences et en bloquant les basses fréquences.
Les filtres passe-bande ne laissent passer qu’une bande de fréquences spécifique tout en bloquant les fréquences supérieures et inférieures.
Les filtres réjecteurs de bande bloquent une bande de fréquences donnée et laissent passer toutes les autres.

Ces filtres sont omniprésents en électronique. Dans les circuits audio, ils séparent les signaux de graves et d’aigus. Dans les télécommunications, ils éliminent les interférences à haute fréquence et le bruit. Dans les alimentations électriques, les filtres passifs lissent les fluctuations et réduisent l’ondulation de la tension.

Autres Applications Clés

En plus des diviseurs de tension et des filtres, les composants passifs remplissent de nombreuses autres fonctions cruciales :

Lissage et stabilisation d’alimentation : Les condensateurs et les inductances sont souvent utilisés ensemble dans les alimentations pour stocker l’énergie et lisser les fluctuations de courant et de tension.
Circuits de résonance : Les inductances et les condensateurs sont au cœur des circuits de résonance (RLC) utilisés dans les tuners radio pour sélectionner une fréquence spécifique en profitant de l’annulation de leurs réactances à cette fréquence.
Protection de circuit : Les varistances (protection contre les surtensions) et les thermistances (protection contre la surchauffe) sont des exemples de composants passifs utilisés pour protéger le circuit des conditions environnementales extrêmes.

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

La Tolérance des Composants

La tolérance d’un composant est la variation maximale acceptable de sa valeur par rapport à sa valeur nominale. La tolérance a un impact direct sur le coût et la fiabilité d’un circuit. Un composant dont la tolérance est plus serrée (plus précise) est généralement plus cher en raison des processus de fabrication et des matériaux nécessaires.

Pour garantir le fonctionnement fiable et reproductible d’un circuit, un concepteur doit prendre en compte les variations de tolérance des composants. Un circuit bien conçu ne dépend pas de valeurs exactes et peut fonctionner même avec des pièces qui varient dans les limites de leur tolérance spécifiée. Par exemple, le circuit de la pédale de guitare Big Muff a été conçu de manière à ce que le gain de chaque étage soit défini par des résistances externes, ce qui le rend largement insensible aux variations de gain des transistors individuels. Cette conception a permis de réduire les coûts de fabrication et a contribué à son succès commercial en évitant le besoin de pièces triées ou coûteuses.

La Puissance Nominale

La puissance nominale d’un composant passif, telle qu’une résistance, est la puissance maximale qu’il peut dissiper de manière continue sans risquer de surchauffe ou de défaillance. Le respect de cette spécification est essentiel pour la sécurité et la longévité d’un appareil. Une puissance supérieure à la valeur nominale peut entraîner une défaillance prématurée, une dégradation des performances, et dans les cas extrêmes, un risque d’incendie. Le choix des composants doit donc toujours prendre en compte la puissance à dissiper dans l’application finale pour garantir une performance optimale et sécurisée.

L’Art du Passif

Les composants passifs sont souvent considérés comme les acteurs de second rôle de l’électronique, éclipsés par la puissance de traitement des composants actifs. Cependant, ce cours d’expertise démontre qu’ils sont en réalité le fondement invisible mais essentiel de toute conception de circuit. En contrôlant le flux de courant, en stockant l’énergie de manière temporaire et en agissant comme des barrières ou des voies de passage sélectives pour les signaux, ils créent l’environnement physique et temporel nécessaire au bon fonctionnement des systèmes électroniques complexes.

Loin d’être statiques, certains composants passifs non linéaires agissent de manière dynamique pour protéger et réguler les circuits en réponse à des stimuli physiques, comme la température ou la tension, sans nécessiter de source de puissance externe. La relation symbiotique entre les passifs et les actifs est donc cruciale : les actifs fournissent le contrôle et le gain, tandis que les passifs assurent la stabilité, le filtrage et la protection. Sans la régulation et le support qu’ils fournissent, les circuits électroniques seraient instables, bruyants et imprévisibles. Le domaine continue d’évoluer, avec une tendance croissante à la miniaturisation et à l’utilisation de matériaux innovants, témoignant de l’importance durable de ces composants dans l’électronique moderne.

Autres articles :