Aspects généraux de l'électronique
L'électronique et les télécommunications ne sont que des applications pratiques des principes généraux de l'électricité.
L'électricité fournie par une pile à une lampe portative peut être transformée pour effectuer un nombre indéterminé de travaux allant de la mise en marche d'un moteur, ou de la production de chaleur ou de lumière, à des applications plus complexes comme le fonctionnement d'un ordinateur ou la réalisation de transmissions radioélectriques ou de télédiffusion.
Le mot radio est une abréviation de radiotéléphone ou de radiotélégraphie. Sous leur première forme, les télécommunications se faisaient par radiotélégraphie, et utilisaient des points et des traits comme symboles des lettres suivant le code Morse.
Actuellement on utilise d'avantage la radiotéléphonie qui permet les communications phoniques ou la radiodiffusion de programmes parlés et musicaux. D'une façon générale, la radio est la technique des télécommunications.
Le mot électronique vient de électron, qui est une quantité d'électricité, invisible et minuscule, présente dans toutes les substances.
D'après ses nombreux usages, on peut définir l'électronique comme l'ensemble de toutes les applications du passage de l'électricité dans le vide, par exemple dans les tubes à vide, dans les gaz ou les vapeurs, et dans certains matériaux solides comme les transistors.
D'une manière plus générale, l'électronique groupe tous les effets de l'électricité dans lesquels l'action individuelle des électrons est déterminante pour l'application.
Les principaux dispositifs électroniques sont les transistors et les tubes à vide, représentés sur la figure 1.
Figure 1 Composants électroniques: (a) tube à vide; (b) transistors; (c) diodes redresseuses au silicium; (d) circuit intégré {CI) à quatre transistors sur une seule plaquette de silicium (longueur: 19 mm).
La radio et l'électronique sont étroitement liées. Elles sont même quelquefois associées dans leurs applications.
Par exemple, un système électronique de chauffage produit des ondes radioélectriques qui traversent la pièce pour produire de la chaleur. La chaleur assemble les solides entre eux.
Même si les applications ne sont pas aussi liées, les principes de la radio et de l'électronique sont essentiellement les mêmes. La radio et l'électronique reposent toutes deux sur les lois fondamentales de l'électricité.
DÉVELOPPEMENT DE L'ÉLECTRONIQUE
On peut considérer que les télécommunications ont commencé avec les travaux du physicien allemand Heinrich Hertz, qui a été le premier, en 1887, à montrer expérimentalement le phénomène du rayonnement électromagnétique dans l'espace.
La distance de la transmission n'était que de quelques mètres, mais elle montrait que les ondes radioélectriques se transmettaient, d'un endroit à un autre, sans nécessiter aucune connexion par fil entre les équipements d'émission et de réception.
Hertz a prouvé que les ondes radioélectriques se propageaient à la vitesse de la lumière, bien qu'elles ne soient pas visibles. En réalité, les ondes radioélectriques et les ondes lumineuses ne sont que deux exemples des ondes électromagnétiques, formes d'énergie qui associent les effets de l'électricité et du magnétisme.
D'autres exemples d'ondes électromagnétiques sont représentés par le rayonnement thermique, les rayons X et les rayons cosmiques, parmi d'autres, qui transmettent tous de l'énergie dans l'espace sans avoir besoin de fils de connexion.
Les travaux de Hertz faisaient suite à des expériences antérieures sur l'électricité et le magnétisme.
En 1820, un physicien danois, H. C. Oersted, avait montré qu'un courant électrique produisait des effets magnétiques.
Puis, en 1831, un physicien britannique, Michael Faraday, découvrait qu'un aimant en mouvement pouvait produire de l'électricité. En 1864, le physicien britannique James Clerk Maxwell, dans ses travaux sur l'électricité et le magnétisme, avait prédit les ondes électromagnétiques dont Hertz devait plus tard prouver l'existence.
En 1895, Guglielmo Marconi utilisa un long fil d'antenne et mit au point un système pratique de radiocommunication à longue distance.
Il réussit à établir une liaison radioélectrique à travers l'Atlantique en 1901.
À partir de cette date, les progrès rapides ont été en grande partie obtenus grâce à l'introduction et aux progrès des tubes à vide. Le Docteur Lee de Forest a été un des pionniers dans ce domaine grâce à son tube audion qui, en 1906, pouvait amplifier des signaux électriques.
Comme la construction des tubes à vide progressait, la radiodiffusion s'est développée rapidement. Des programmes prévus ont été régulièrement diffusés en 1920 par la station KDKA de Pittsburgh, Pennsylvanie. Le service de radiodiffusion commercial à modulation de fréquence des programmes sonores a commencé en 1941.
En ce qui concerne la télévision, on a d'abord envisagé plusieurs systèmes mécaniques à disque et tambour tournants qui ont été rejetés avant que la radiotélévision commerciale ait été officiellement adoptée en juillet 1941, mais ses applications ne se sont vraiment popularisées qu'à partir de 1945.
L'actuel système de télévision couleur a été adopté pour la télévision commerciale en 1953.
Grâce à l'invention des transistors en 1948 aux Bell Téléphone Laboratories, il y a maintenant de nouvelles applications de l'électronique et de la radioélectricité. Le transistor est basé sur la circulation contrôlée des électrons dans des solides comme le germanium et le silicium.
Voir section Transistor
Les tubes et les transistors ont des applications similaires pour l'amplification et la commande, mais le transistor est plus petit, ce qui le rend plus efficace; il n'a pas de filament et il est plus robuste car sa construction est plus simple. (Voir la figure 1.)
L'électronique des semi-conducteurs comprend non seulement des transistors et des diodes mais aussi des circuits intégrés (CI) (figure 1d) qui associent ces composants en un module unique avec les résistances et les condensateurs nécessaires.
Les services de radiodiffusion Radiodiffusion signifie émission dans toutes les directions.
Comme l'indique la figure 2, l'émetteur rayonne des ondes électromagnétiques dans toutes les directions grâce à son antenne. Les récepteurs peuvent capter les ondes radio transmises grâce à leur antenne de réception.
Figure 2 La radiodiffusion assure une communication sans fil entre l'émetteur et le récepteur. On a représenté une onde porteuse modulée en amplitude.
Pratiquement, tous les récepteurs actuels sont équipés de transistors en remplacement des tubes à vide. (Voir la figure 3.)
Figure 3 L'ancien et le nouveau récepteurs radio, (RCA)
L'onde porteuse est une onde radioélectrique électromagnétique qui comprend les variations des informations musicales et parlées que l'on veut transmettre, introduites par la modulation.
Il est nécessaire d'utiliser la technique d'une onde porteuse modulée car l'information désirée ne peut pas être transmise directement. On choisit une onde porteuse qui permet la meilleure transmission radio possible; la modulation apporte l'information.
Dans le cas de la modulation d'amplitude (AM), l'amplitude de l'onde porteuse varie avec la modulation, comme l'indique la figure 2. Dans la modulation de fréquence (FM), la tension de modulation fait varier la fréquence de l'onde porteuse.
La fréquence est une caractéristique importante d'une tension ou d'un courant alternatif. Elle indique le nombre de cycles par seconde de l'onde porteuse et s'exprime en hertz (Hz). On a l'égalité 1 Hz = 1 cycle par seconde.
La distance de transmission peut atteindre 10 km ou 10 000 km, suivant le type de service désiré.
Il existe de nombreux services pour différentes applications, dont la radiodiffusion et la radiotélévision pour le service des particuliers, la radionavigation, la radio maritime, les services de la police, les liaisons d" amateurs. les services administratifs et beaucoup d'autres.
Tous ces services sont réglementés par la Fédéral Communications Commission FCC) aux États-Unis. La FCC impose l'onde porteuse qu'une station de diffusion doit utiliser.
Quelques-uns des services de diffusion les plus importants sont indiqués ci-contre, mais une liste plus complète est donnée à l'Annexe B. ainsi que les canaux alloués.
Bande de radiodiffusion standard Cette bande correspond au système original de radiodiffusion pour ce que l'on appelle en général la radio, qui utilise la modulation d'amplitude (AM) pour émettre l'onde porteuse allouée à la station.
La bande de radiodiffusion à modulation d'amplitude inclut les fréquences comprises entre 535 kHz et 1605 kHz. Le dernier chiffre ne figure pas sur le cadran.
Bande de radiodiffusion FM
Cette bande contient les fréquences comprises entre 88 et 108 MHz. Le système FM réduit les parasites atmosphériques et les interférences.
La bande FM est également utilisée pour la diffusion des signaux audio à haute fidélité. En diffusion stéréophonique, les signaux audio gauches et droits sont multiplexes, c'est-à-dire combinés sur une seule onde porteuse.
Radiotélévision La télévision n'est qu'une autre application de la radiodiffusion, chaque station émettant dans le canal qui lui est alloué deux porteuses séparées.
La première est une porteuse modulée en amplitude qui transmet l'information image; la seconde est modulée en fréquence pour transmettre le son.
La largeur d'un canal de télévision est de 6 MHz afin d'inclure les signaux image et son. Le canal 4, par exemple, va de 66 MHz à 72 MHz. En télédiffusion couleur, le signal couleur est multiplexe avec le signal noir et blanc, sur une seule onde porteuse, pour donner le signal image.
Radio maritime
Cette utilisation est importante pour la navigation et la sécurité des bateaux. En plus des communications entre bateaux ou entre un bateau et le rivage, la radio est à la base des systèmes de navigation radar.
Radio aéronautique
En plus des communications, la radio joue un rôle important dans la navigation aérienne. Elle comprend le radar, le radiogoniomètre, le radiophare, et les systèmes automatiques d'atterrissage.
Radio pour les organismes gouvernementaux
Le gouvernement fédéral exploite de nombreuses stations de radio pour les besoins civils et militaires aux États-Unis.
Bande publique
De 26,965 MHz à 27,405 MHz, 40 canaux de 10 kHz sont réservés à l'usage public bidirectionnel. Un poste radio à bande publique comprend un émetteur et un récepteur.
Radio amateurs
C'est peut-être le service de radiodiffusion non commercial le plus important. Ces amateurs construisent et exploitent habituellement eux-mêmes leurs propres émetteurs et récepteurs pour transmettre entre eux dans les bandes qui leur sont allouées.
La plus grande organisation dans ce domaine est l'American Radio Relay League (ARRL), Ne-wington, Connecticut.
APPLICATIONS DE L'ÉLECTRONIQUE
L'électronique trouve des applications dans presque toutes les industries pour le contrôle de la qualité et l'automatisation.
On donne ici quelques exemples pour indiquer ces nombreuses possibilités. Une liste d'applications supplémentaires est donnée à l'Annexe A.
Calculatrices électroniques (Voir figure 4.)
Figure 4 Calculatrice électronique. {Texas Instruments)
À l'aide de circuits intégrés la calculatrice permet d'additionner, de soustraire, de multiplier ou de diviser des nombres presque instantanément. Le visuel est un écran photoélectrique qui affiche les chiffres en bon ordre.
La calculatrice scientifique illustrée à la figure 4 assure également le traitement des fonctions trigonométriques, logarithmiques et exponentielles.
Traitement électronique de l'information
Cette application comprend les ordinateurs et l'équipement automatique qui effectue les travaux habituels de bureau comme le classement, le tri, la facturation et la comptabilité.
Le traitement électronique de l'information est très courant dans les banques, les compagnies d'assurance, les organismes gouvernementaux et dans tout bureau où l'on manipule de nombreux documents.
Médecine La recherche dans les universités et les laboratoires, le diagnostic, les traitements et la chirurgie nécessitent tous l'emploi des appareils électroniques. Le microscope électronique, l'appareil de diathermie et l'appareil à relever les électrocardiogrammes en sont des exemples.
Montres électroniques (Voir la figure 5.)
Figure 5 Montre électronique numérique. (Bulova Watch Co., Inc.)
De telles montres utilisent un circuit intégré pour la production d'impulsions de synchronisation au lieu de ressorts mécaniques. L'affichage numérique recourt à une diode électroluminescente ou est à cristaux liquides. Le retard ou l'avance d'une montre électronique est inférieur à une minute par année.
Électronique industrielle
Ses applications englobent le soudage, le chauffage électrique (par hystérésis), la détection d'objets métalliques, la détection de fumées, le contrôle de l'humidité, la commande d'équipements par ordinateur et diverses télécommandes dont l'ouverture automatique de portes de garage et l'alerte antivol.
La surveillance de certains lieux s'effectue souvent par la télévision en circuit fermé.
Ultrasons et appareils supersoniques
Les applications des ondes sonores qui dépassent la gamme de l'oreille humaine emploient des appareils électroniques. On peut citer parmi les exemples: les équipements sonar pour la marine et les sondeurs, les machines à nettoyer par ultrasons et la commande à distance de l'accord des différents canaux des téléviseurs.
Classement
Les applications, nombreuses, sont généralement séparées en trois catégories:
1. Télécommunications
Elles comprennent la radiodiffusion AM et FM incluant la stéréophonie, ainsi que la radiotélévision, y compris la couleur. On peut encore subdiviser les appareils de radiodiffusion en récepteurs et ensembles d'émission, soit dans la station d'émission, soit en studio. On peut considérer les appareils audio à haute fidélité comme un cas particulier de récepteurs.
2. Électronique
Voici quelques grandes subdivisions: les ordinateurs, la commande industrielle, les servomécanismes, les appareils de contrôle et d'enregistrement et d'électronique médicale. Les applications des ordinateurs, incluant l'informatique, constituent probablement la branche la plus importante de l'électronique.
3. Énergie électronique
Production, distribution et utilisation, comprenant les machines à courant continu et à courant alternatif.
Spécialisations
Des divisions particulières de la radio et de l'électronique résultent les spécialisations suivantes pour les ingénieurs:
aéronautique, audiofréquences, antennes, communications, ordinateurs, gestion technique, technico-commercial, géophysique,
éclairage, théorie de l'information et codage, magnétisme, électronique médicale, hyperfréquences,
applications militaires (engins guidés, énergie nucléaire), matériaux et conditionnement, radioastronomie, tubes,
semi-conducteurs, engins spatiaux, tels les satellites, appareillages d'essai et enfin ultrasons.
Beaucoup de ces domaines associent la physique et la chimie.
Postes
Dans chacun de ces domaines, les différentes tâches portant sur des travaux de direction sont effectuées par des ingénieurs pour la recherche, les études ou la production, des enseignants, des techniciens, des vendeurs, des rédacteurs techniques, des dessinateurs, des dépanneurs, des inspecteurs, des contrôleurs et des câbleurs.
On a besoin de techniciens et de dépanneurs pour le contrôle, l'entretien et la réparation de tous les types d'appareils électroniques.
COMPOSANTS ÉLECTRONIQUES
Si l'on considère les nombreuses applications différentes de l'électronique et de la radioélectricité, on est un peu surpris qu'il n'y ait que cinq composants de base pour tous les types d'équipement différents.
Chaque type a naturellement beaucoup de variantes qui conviennent à des usages particuliers.
En voici la courte liste:
1. Tubes électroniques, dont les tubes à vide, les tubes à gaz et les tubes à rayons cathodiques (TRC);
2. Transistors.
Cette application est sans doute la plus importante de l'emploi des semi-conducteurs qui comprennent, de plus, les diodes et les circuits intégrés;
3. Résistances (figure 6);
Figure 6 Modèles de résistances. (Ohmite Mfg. Co.)
Voir section Résistances
4. Condensateurs (figure 7);
Figure 7 Modèles de condensateurs. (Comell-Dublier Electric Corp.)
Voir Section Condensateurs
5. Inductances ou bobines (figure 8).
Figure 8 Modèles d'inductances. (Merit Coil and Transformer Corp.)
Tubes
II en existe de différents types: les tubes à deux électrodes ou diodes, les triodes, les tétrodes et les pentodes. La diode est généralement utilisée comme redresseur.
À ce titre elle transforme le courant alternatif en courant continu. Les autres tubes sont utilisés dans des circuits amplificateurs. A ce titre ils augmentent la valeur du signal d'entrée.
Le tube à rayons cathodiques (TRC) est un tube à vide muni d'un écran fluorescent. Le tube image d'un récepteur de télévision est un exemple typique d'un tube à rayons catho-cfiques (figure 9).
On traite au chapitre 29 de ces types de tubes et de leurs symboles graphiques de façon plus détaillée.
Composants semi-conducteurs
De la même façon que les diodes à vide, les diodes semi-conductrices sont des redresseurs.
Les transistors se comportent comme les triodes à vide et sont utilisés comme amplificateurs. Ces deux types de semi-conducteurs peuvent contrôler le débit des charges électriques entre les bornes d'entrée et de sortie.
Les tubes et les transistors sont utilisés dans des circuits électroniques conjointement avec des résistances, des condensateurs et des inductances.
Les transistors et les tubes sont des composants actifs, ce qui signifie qu'ils peuvent amplifier ou redresser. Les résistances, les condensateurs et les inductances sont des composants passifs.
Les circuits intégrés combinent les transistors et les diodes semi-conducteurs sur une puce à circuit intégré pour former, avec les composants passifs, un circuit complet.
Les chapitres 30 à 32 portent sur les composants semi-conducteurs et leurs symboles graphiques de façon plus détaillée.
Résistances
Elles sont du type à couche de carbone ou du type à bobinage de fil résistant spécial. Leur fonction est de limiter la valeur du courant circulant dans un circuit.
L'unité de résistance {R) est l'ohm (Ω).
En guise d'exemple, R = 100 Ω est une valeur habituelle.
Le tableau 1 illustre les symboles graphiques des R.
Pour plus de détails, voir le chapitre 11 intitulé «Résistances».
Condensateurs
Un condensateur comporte un isolant disposé entre deux armatures conductrices.
Le rôle d'un condensateur est de concentrer le champ électrique de la tension appliquée entre les bornes de l'isolant aussi appelé diélectrique. De ce fait, le condensateur a la propriété d'emmagasiner des charges électriques.
Dans le cas d'application d'une tension alternative, le condensateur se charge et se décharge.
La principale application que l'on tire de cet effet est d'utiliser les condensateurs pour laisser passer un signal alternatif, mais de bloquer une tension continue fixe.
Plus la fréquence est grande et plus un condensateur couplera facilement le signal alternatif en provenance d'un circuit amplificateur au suivant.
L'unité de capacité (C), le farad (F), est une très grande unité nécessitant le recours à des fractions métriques.
En guise d'exemple, C = 40 µF (microfarads), soit 40/1 000 000 F, est une valeur de capacité ordinaire d'un condensateur électrolytique de filtrage.
Le tableau 2 dresse les symboles graphiques des condensateurs, désignés par C, le symbole de leur capacité. Pour plus de détails sur la capacité, voir les chapitres 21 à 23.
Inductances
Une inductance est simplement une bobine de fil. Le rôle fondamental d'une inductance est de concentrer le champ magnétique du courant dans la bobine. La variation du courant et celle du champ magnétique qui lui est associé induit une tension.
Dans le cas de sa principale application comme bobine d'arrêt, l'inductance laisse mieux passer un courant continu constant L'unité est le henry (H).
En guise d'exemple, une valeur habituelle d'une bobine d'arrêt pour les radiofréquences, est L = 250 µH.
Le tableau 3 donne les symboles graphiques de L.
Circuits électroniques
En conclusion, on remarquera que les télécommunications, l'électronique et les machines à courant alternatif ou continu sont toutes basées sur les principes fondamentaux de l'électricité et du magnétisme.
Les applications de l'électronique sont fondamentalement des circuits électriques comprenant des transistors ou des tubes et les composants R, C et L requis. L'amplification désirée d'un signal requiert l'usage de transistors ou de tubes.
