Les composants électroniques : cours de Bac pro CIEL

Le baccalauréat professionnel CIEL est un diplôme de niveau 4. Il forme des techniciennes et des techniciens qui interviennent dans la réalisation et la maintenance de produits électroniques, dans la mise en œuvre de réseaux informatiques et dans la valorisation de la donnée, avec la cybersécurité en toile de fond ¹. Pour réparer une carte, lire un schéma ou choisir une pièce de rechange, il faut savoir reconnaître chaque composant, dire à quoi il sert et calculer ses valeurs. C'est le but de ce cours.

Les composants se retrouvent partout où l'on installe de l'électronique : domotique, objets connectés, gestion d'énergie, santé connectée ⁶. Un capteur de présence, un routeur, une alimentation de poste informatique : tous sont des assemblages de quelques familles de composants, toujours les mêmes.

Le cours suit une progression simple : d'abord les composants les plus courants (résistance, condensateur, bobine), puis ceux qui contiennent un semi-conducteur (diode, transistor), ensuite les circuits intégrés et les mémoires, enfin la méthode pour lire une référence et choisir une valeur. Il prépare la suite : signaux analogiques et numériques, microcontrôleurs, capteurs et objets connectés.

On range les composants en deux grandes familles, selon leur comportement.

• Les composants passifs réagissent au courant qui les traverse mais ne le commandent pas. Ce sont la résistance, le condensateur et la bobine.
• Les composants actifs, comme le transistor et les circuits intégrés, peuvent commander ou commuter un courant avec un petit signal de commande. Ils reposent sur des semi-conducteurs. La diode est elle aussi à semi-conducteur, mais elle n'a pas de borne de commande : selon les ouvrages, on la range parmi les actifs ou parmi les passifs.

La résistance

La résistance limite le courant. Sa valeur s'exprime en ohms ($\Omega$), avec les multiples usuels : le kilohm ($k\Omega$, soit $10^3\ \Omega$) et le mégohm ($M\Omega$, soit $10^6\ \Omega$). Elle suit la loi d'Ohm.

Le condensateur

Le condensateur stocke de l'énergie sous forme de charges électriques entre deux armatures. Sa capacité s'exprime en farads (F), mais on rencontre surtout le microfarad ($\mu F$, $10^{-6}\ F$), le nanofarad ($nF$, $10^{-9}\ F$) et le picofarad ($pF$, $10^{-12}\ F$). Par exemple, un condensateur de type MKP étudié dans une analyse de cycle de vie d'un convertisseur appartient à la gamme 10 nF à 1 µF ⁵. Dans un circuit, le condensateur sert à lisser une tension (alimentations), à filtrer des parasites et à découpler un circuit intégré en lui fournissant un petit réservoir d'énergie tout proche.

La bobine

La bobine, ou inductance, s'exprime en henrys (H), le plus souvent en millihenrys ou microhenrys. Elle s'oppose aux variations rapides du courant. On la retrouve dans les filtres et dans les alimentations à découpage, où elle stocke temporairement de l'énergie, notamment dans un convertisseur abaisseur de tension, qui transforme une tension continue en une tension continue plus faible ⁵.

Les composants à semi-conducteur jouent un rôle central en électronique de puissance : les convertisseurs reposent sur eux ⁴. Un semi-conducteur est un matériau dont on peut contrôler la conduction ; le silicium est le plus répandu, et d'autres matériaux comme le nitrure de gallium (GaN) apparaissent pour des usages particuliers ⁴.

Une diode passante garde à ses bornes une petite tension de seuil, de l'ordre de $0{,}6\ V$ pour une diode au silicium courante. Elle sert à protéger un montage contre une inversion de polarité, à redresser un signal alternatif et à protéger un transistor contre les surtensions d'une bobine.

Le transistor est la brique de base de l'électronique moderne. En commutation, il joue le rôle d'un interrupteur commandé : un microcontrôleur ne peut fournir qu'un faible courant, mais il commande un transistor qui, lui, alimente un relais, un moteur ou un ruban de LED. Parmi les transistors, les transistors à haute mobilité d'électrons (HEMT) au nitrure de gallium sont apparus en 2004 dans le domaine des radiofréquences ⁴.

Au lieu de câbler un par un des centaines de transistors, on les grave ensemble sur une même plaquette de silicium : c'est le circuit intégré. Les circuits intégrés sont ensuite assemblés sur des cartes électroniques pour réaliser des fonctions plus complexes ³.

Plus le motif gravé sur le silicium est fin, plus on peut loger de fonctions dans un petit volume : les machines électroniques sont devenues de plus en plus petites ³. Les concepteurs cherchent d'ailleurs une intégration maximale, c'est-à-dire placer le plus de fonctions possible dans un même circuit, afin de réduire les coûts ³.

Le microcontrôleur, que tu étudieras ensuite, est un exemple : processeur, mémoire et entrées-sorties réunis dans un même boîtier.

Sur une carte, un composant se repère par son aspect, son marquage et son repère sur le schéma (R pour résistance, C pour condensateur, L pour bobine, D pour diode, Q ou T pour transistor, U pour circuit intégré). La documentation constructeur (fiche technique) donne ses limites : tension, courant et puissance maximaux.