Montage des circuits électroniques simples (partie 2/3)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de : 1. Identifier les broches (base, collecteur, émetteur) d’un transistor PNP et NPN et déterminer leur mode de polarisation. 2. Réaliser le montage d’un transistor en configuration d’amplificateur commun émetteur avec les composants passifs (résistances, condensateurs, diodes) adaptés à une tension d’alimentation de 12 V typique des systèmes automobiles. 3. Concevoir et câbler un circuit électronique simple comprenant résistances, diodes, transistors, condensateurs, relais et lampe, en respectant les règles de sécurité électrique et les normes camerounaises (NF C 15-100). 4. Mesurer, à l’aide d’un multimètre, les tensions et courants de fonctionnement et comparer les valeurs théoriques aux valeurs mesurées. 5. Diagnostiquer les défauts les plus fréquents (court‑circuit, composant ouvert, mauvaise polarisation) et proposer une correction. **Prérequis** : - Connaissances de base en électricité continu (loi d’Ohm, loi des nœuds, loi des mailles). - Savoir lire un schéma électronique simple (symboles des résistances, diodes, condensateurs, relais, lampe). - Maîtriser l’utilisation d’un multimètre en mode tension continue, courant continu et résistance. - Connaître les précautions de manipulation des composants sensibles (ESD) et les règles de sécurité en atelier (port de lunettes, isolation des outils). --- ## Introduction Dans les véhicules modernes, les systèmes de commande (injection, allumage, climatisation, éclairage) reposent de plus en plus sur des circuits électroniques embarqués. Le technicien automobile doit donc savoir monter, tester et dépanner ces circuits en toute sécurité. Ce chapitre poursuit la découverte des composants actifs initiée au chapitre précédent et se concentre sur le montage pratique des transistors PNP et NPN, puis sur l’assemblage de circuits électroniques simples comportant résistances, diodes, condensateurs, relais et lampe. Les exemples proposés sont inspirés de situations réelles rencontrées dans les garages camerounais (régulation de la vitesse du ventilateur de refroidissement, commande d’un relais d’allumage, pilotage d’une lampe de tableau de bord). --- ## I. Leçon 10 – Montage des transistors PNP ### 1. Rappel du transistor PNP Un transistor PNP est un dispositif à trois couches de semi‑conducteur (P‑N‑P) où le courant principal circule de l’émetteur vers le collecteur lorsque la base est polarisée négativement par rapport à l’émetteur. > **>** *En mode actif, V_EB ≈ +0,7 V (tension émetteur‑base) et I_C = β·I_B.* ### 2. Brochage et identification | Broche | Symbole | Fonction typique | |--------|---------|------------------| | Émetteur (E) | Flèche vers l’intérieur | Alimentation haute tension (souvent +12 V) | | Base (B) | Ligne perpendiculaire | Polarisation de commande | | Collecteur (C) | Ligne droite | Sortie vers la charge | Le boîtier TO‑92 ou SOT‑23 possède un repère (plat ou encoche) permettant d’identifier l’émetteur. ### 3. Polarisation en configuration d’amplificateur commun émetteur Le schéma de base comprend : - Une résistance de collecteur **R_C** reliée au +V_CC. - Une résistance d’émetteur **R_E** (souvent bypassée par un condensateur **C_E** pour augmenter le gain en AC). - Une résistance de base **R_B** qui fixe le courant de base. **Calcul du point de repos (Q‑point)** Supposons V_CC = 12 V, β = 100, V_EB ≈ 0,7 V, I_C désiré = 10 mA. 1. I_B = I_C/β = 0,1 mA. 2. On choisit V_E ≈ 11 V (proche de V_CC pour bonne stabilité) → V_B = V_E – V_EB = 11 V – 0,7 V = 10,3 V. 3. R_B = (V_CC – V_B)/I_B = (12 V – 10,3 V)/0,1 mA = 1,7 V / 0,1 mA = 17 kΩ → valeur normalisée 18 kΩ. 4. I_E ≈ I_C + I_B ≈ 10,1 mA. 5. R_E = V_E/I_E ≈ 11 V / 10,1 mA ≈ 1,09 kΩ → valeur normalisée 1,1 kΩ. 6. Pour placer le collecteur à mi‑tension (V_C ≈ 6 V) : R_C = (V_CC – V_C)/I_C = (12 V – 6 V)/10 mA = 600 Ω → 620 Ω. Le condensateur de dérivation **C_E** est choisi pour avoir une réactance négligeable à la fréquence de travail (ex. 10 µF pour 100 Hz → X_C ≈ 16 Ω). ### 4. Exemple d’atelier : commande d’un ventilateur de refroidissement - **Objectif** : faire tourner un petit ventilateur 12 V, 150 mA lorsque la température du liquide de refroidissement dépasse 90 °C. - **Capteur** : une résistance thermistive NTC (10 kΩ à 25 °C) placée en pont diviseur avec une résistance fixe 10 kΩ, la tension du point milieu pilote la base du transistor PNP via une résistance de 100 kΩ. - **Résultat** : lorsque la température augmente, la résistance du NTC baisse, la tension de base diminue, le transistor sature et alimente le ventilateur à travers R_C. ### 5. Consignes de sécurité - Vérifier que le collecteur ne dépasse jamais la tension maximale du transistor (souvent 30 V pour un 2N2907). - Utiliser une résistance de limitation de courant en série avec la base pour éviter les courants de base excessifs (>5 mA). - Toujours décharger les condensateurs avant manipulation (court‑circuit via une résistance de 1 kΩ). --- ## II. Leçon 11 – Montage des transistors NPN ### 1. Rappel du transistor NPN Un transistor NPN (N‑P‑N) conduit du collecteur vers l’émetteur lorsque la base est polarisée positivement par rapport à l’émetteur. > **>** *En mode actif, V_BE ≈ +0,7 V et I_C = β·I_B.* ### 2. Brochage | Broche | Symbole | Fonction typique | |--------|---------|------------------| | Émetteur (E) | Flèche vers l’extérieur | Souvent relié à la masse (0 V) | | Base (B) | Ligne perpendiculaire | Polarisation de commande | | Collecteur (C) | Ligne droite | Sortie vers la charge (+V_CC) | Le repère du boîtier (plat ou encoche) indique l’émetteur. ### 3. Polarisation en configuration d’amplificateur commun émetteur Le schéma est similaire à celui du PNP, mais les polarités sont inversées : - R_C entre +V_CC et le collecteur. - R_E entre l’émetteur et la masse. - R_B entre la base et une tension de polarisation (souvent un diviseur de tension). **Exemple de calcul** (V_CC = 12 V, β = 150, I_C = 20 mA) 1. I_B = I_C/β = 0,133 mA. 2. Choisir V_E = 1 V → V_B = V_E + V_BE = 1,7 V. 3. R_B = (V_CC – V_B)/I_B = (12 – 1,7)/0,133 mA ≈ 77 kΩ → 75 kΩ (valeur normalisée). 4. R_E = V_E/I_E ≈ 1 V / 20,13 mA ≈ 50 Ω → 47 Ω. 5. Pour placer le collecteur à mi‑tension (V_C ≈ 6 V) : R_C = (V_CC – V_C)/I_C = (12 – 6)/20 mA = 300 Ω → 330 Ω. Le condensateur de dérivation **C_E** (10 µF) améliore le gain en AC comme précédemment. ### 4. Exemple d’atelier : commande d’un relais d’allumage - **Objectif** : activer un relais 12 V (bobine 70 Ω, courant ≈ 170 mA) lorsqu’une clé de contact est tournée. - **Montage** : la bobine du relais est placée entre +V_CC et le collecteur d’un transistor NPN (ex. BC547). L’émetteur est relié à la masse. La base reçoit une tension de 5 V provenant du commutateur de clé via une résistance de 10 kΩ. - **Fonctionnement** : lorsque la clé ferme le circuit, 5 V apparaissent à la base → I_B ≈ (5 V – 0,7 V)/10 kΩ = 0,43 mA → I_C ≈ β·I_B ≈ 150·0,43 mA ≈ 64 mA, insuffisant pour saturer le relais. On ajoute donc une résistance de base plus faible (2,2 kΩ) afin d’obtenir I_B ≈ 2 mA et I_C ≈ 300 mA, assurant la saturation. - **Diode de roue libre** : une diode 1N4001 placée en parallèle avec la bobine (cathode vers +V_CC) protège le transistor contre les surtensions d’induction lors de la désactivation. ### 5. Consignes de sécurité - Ne jamais dépasser le courant de collecteur maximal spécifié (souvent 100 mA pour un petit signal). - Utiliser une résistance de base adéquate pour éviter la saturation prématurée qui pourrait endommager le transistor par dissipation excessive. - Vérifier l’orientation de la diode de roue libre (cathode vers le potentiel plus élevé). - Toujours couper l’alimentation avant de modifier le montage. --- ## III. Leçon 12 – Montage de circuits électroniques simples (résistances, diodes, transistors, condensateurs, relais, lampe) ### 1. Principes de base d’un circuit mixte Un circuit automobile typique combine : - **Résistances** : limitation de courant, division de tension. - **Diodes** : protection (roues libres), redressement, indication (LED). - **Transistors** : amplification ou commutation de charges (relais, moteurs, lampes). - **Condensateurs** : filtrage, temporisation, découplage. - **Relais** : isolation galvanique, commande de fortes courants avec faible puissance de commande. - **Lampe** (ou LED) : indication d’état, éclairage de tableau de bord. Le respect des valeurs de puissance (P = V·I) et de la tension nominale des composants est essentiel pour éviter la surchauffe. ### 2. Exemple complet : feu de détresse clignotant **Cahier des charges** - Alimentation véhicule : 12 V DC. - Deux lampes de détresse (21 W chacune) doivent clignoter à 1 Hz (50 % duty cycle). - Utiliser un transistor NPN comme commutateur, un condensateur et une résistance pour créer un oscillateur astable simple (circuit de type 555 remplacé par un montage transistor‑RC). **Schéma décrit** 1. **Oscillateur astable** : - Deux résistances **R1** et **R2** en série entre +V_CC et la base du transistor Q1 (NPN). - Un condensateur **C1** entre la base et la masse. - Lorsque Q1 conduit, le collecteur tire la masse à travers la lampe L1 (et L2 en parallèle). - Le temps de charge de C1 à travers R1 détermine le temps haut (T_H) ; le temps de décharge à travers R2 détermine le temps bas (T_L). 2. **Formules** (approximation pour un transistor en saturation) : - T_H ≈ 0,693·(R1 + R2)·C1 - T_L ≈ 0,693·R2·C1 - Période T = T_H + T_L ; fréquence f = 1/T. 3. **Dimensionnement** pour f = 1 Hz, duty cycle ≈ 50 % → T_H ≈ T_L ≈ 0,5 s. - Choisir C1 = 100 µF (valeur courante en atelier). - Alors 0,5 s ≈ 0,693·R·100 µF → R ≈ 0,5 / (0,693·100·10⁻⁶) ≈ 7 200 Ω. - Prendre R1 = R2 = 6,8 kΩ (valeur normalisée). 4. **Calcul du courant de lampe** : - Puissance d’une lampe 21 W sous 12 V → I = P/V = 21/12 ≈ 1,75 A. - Deux lampes en parallèle → I_total ≈ 3,5 A. - Le transistor doit donc supporter au moins 3,5 A en saturation. On choisit un MOSFET logique (ex. IRLZ44N) ou un Darlington (TIP120) avec un dissipateur thermique. 5. **Protections** : - Diode de roue libre 1N5408 en parallèle avec chaque lampe (cathode vers +12 V) pour absorber les courants de retour lors de l’ouverture brusque du transistor. - Résistance de tirage (pull‑down) 10 kΩ sur la base pour éviter une conduction parasite lorsque l’entrée est flottante. 6. **Montage en atelier** : - Souder les résistances et le condensateur sur une plaque perforée. - Insérer le transistor (ou MOSFET) avec son dissipateur fixé par une vis et de la pâte thermique. - Connecter les lampes à l’aide de connecteurs rapides type « fast‑on ». - Vérifier la continuité avec un multimètre avant mise sous tension. - Mesurer la fréquence à l’aide d’un oscilloscope ou d’un fréquencemètre ; ajuster R1/R2 si nécessaire. ### 3. Tableau récapitulatif des valeurs typiques utilisées | Composant | Valeur typique (exemple) | Unité | Remarque | |-----------|--------------------------|-------|----------| | Résistance de base (RB) | 6,8 kΩ | Ω | Polarisation transistor | | Résistance de collecteur (RC) | 330 Ω | Ω | Limite courant collecteur | | Résistance d’émetteur (RE) | 47 Ω | Ω | Stabilisation du point de repos | | Condensateur de dérivation (CE) | 10 µF | F | By-pass AC | | Condensateur d’oscillateur (C1) | 100 µF | F | Détermine fréquence | | Diode de roue libre | 1N5408 | – | Courant continu 3 A, V_R 100 V | | Relais (bobine) | 70 Ω | Ω | Courant ≈ 170 mA à 12 V | | Lampe de détresse | 21 W | W | 12 V, I ≈ 1,75 A | | Transistor de puissance | TIP120 (Darlington) | – | I_C max 5 A, V_CE max 60 V | ### 4. Consignes de sécurité et bonnes pratiques - Toujours vérifier la puissance dissipée (P = V·I) et prévoir un radiateur si P > 0,5 W pour un transistor petit signal. - Utiliser des fils de section adaptée au courant (ex. 1,5 mm² pour >10 A en automobile). - Isoler les soudures avec du ruban thermo‑rétractable ou de la gaine silicone. - Ne jamais travailler sous tension ; couper la batterie et décharger les condensateurs via une résistance de 1 kΩ. - Respecter les distances d’isolement minimale entre pistes haute tension et basse tension (au moins 3 mm en milieu automobile). --- ## Synthèse du chapitre - **Transistor PNP** : courant de l’émetteur vers le collecteur, base négative par rapport à l’émetteur, V_BE ≈ –0,7 V. - **Transistor NPN** : courant du collecteur vers l’émetteur, base positive par rapport à l’émetteur, V_BE ≈ +0,7 V. - **Point de repos (Q‑point)** : fixé par les résistances de base, d’émetteur et de collecteur ; calcul à l’aide de I_C = β·I_B et V_BE ≈ 0,7 V. - **Oscillateur astable simple** : fréquences de charge et de décharge : T_H ≈ 0,693·(R1+R2)·C₁, T_L ≈ 0,693·R2·C₁ ; période T = T_H+T_L ; fréquence f = 1/T ; duty cycle dépend du rapport R1/R2. - **Diode de roue libre** : indispensable pour protéger les transistors lors de la commutation d’une charge inductive (relais, moteur). - **Dimensionnement des résistances de puissance** : P = V²/R ou P = I²·R ; choisir une valeur nominale supérieure à la puissance calculée. - **Relais** : permet de commander de fortes courants avec un faible courant de base ; nécessite une diode de roue libre. - **Lampe / LED** : utilisée comme indicateur d’état ; vérifier la tension directe et la résistance série pour limiter le courant. --- ## Glossaire - **Transistor PNP** : dispositif à trois couches (P‑N‑P) où le courant principal circule de l’émetteur vers le collecteur lorsque la base est négative par rapport à l’émetteur. - **Transistor NPN** : dispositif à trois couches (N‑P‑N) où le courant principal circule du collecteur vers l’émetteur lorsque la base est positive par rapport à l’émetteur. - **Point de repos (Q‑point)** : état de fonctionnement continu d’un transistor (collecteur‑émetteur et courants de base) sans signal d’entrée. - **Oscillateur astable** : circuit qui génère périodiquement un signal carré sans état stable, utilisé pour produire des fréquences de clignotement. - **Diode de roue libre** : diode placée en parallèle avec une charge inductive pour dissiper l’énergie stockée dans le champ magnétique lors de la coupure du courant. - **Relais électromagnétique** : composant qui utilise une bobine pour créer un champ magnétique attirant un contact, permettant la commutation de fortes courants avec une faible puissance de commande. - **Résistance de tirage (pull‑down)** : résistance qui fixe une ligne à la masse lorsqu’elle n’est pas activement pilotée, évitant les états flottants. - **Condensateur de dérivation** : condensateur placé en parallèle avec une résistance d’émetteur pour réduire son impédance à la fréquence de travail, augmentant le gain en AC. --- ## Exercices d’application corrigés ### Exercice 1 – Polarisation d’un transistor PNP **Énoncé** : Un transistor PNP de type 2N2907 (β = 100) doit être polarisé en émetteur commun pour fournir un courant de collecteur de 8 mA avec V_CC = 12 V. On choisit V_E = 1,2 V. Déterminer les valeurs de R_B et R_E (on néglige le courant de base dans le calcul de R_E). **Corrigé** : 1. I_B = I_C/β = 8 mA / 100 = 0,08 mA = 80 µA. 2. Pour un PNP, V_EB = V_E – V_B ≈ 0,7 V → V_B = V_E – 0,7 V = 1,2 V – 0,7 V = 0,5 V. 3. R_B = (V_CC – V_B)/I_B = (12 V – 0,5 V) / 80 µA = 11,5 V / 0,00008 A = 143 750 Ω ≈ 144 kΩ → valeur normalisée 150 kΩ. 4. I_E ≈ I_C + I_B ≈ 8,08 mA. 5. R_E = V_E/I_E = 1,2 V / 8,08 mA ≈ 148 Ω → valeur normalisée 150 Ω. **Réponse** : R_B ≈ 150 kΩ, R_E = 150 Ω. ### Exercice 2 – Dimensionnement d’un oscillateur astable pour feu de détresse **Énoncé** : On veut obtenir une fréquence de clignotement de 0,5 Hz (periode T = 2 s) avec un rapport cyclique de 60 % (T_H = 1,2 s, T_L = 0,8 s). En utilisant un condensateur C1 = 47 µF, calculer R1 et R2. **Corrigé** : Formules : T_H = 0,693·(R1+R2)·C1 ; T_L = 0,693·R2·C1. 1. De T_L : R2 = T_L / (0,693·C1) = 0,8 s / (0,693·47·10⁻⁶ F) ≈ 0,8 / (3,257·10⁻⁵) ≈ 24 560 Ω → 24 kΩ (valeur normalisée). 2. De T_H : R1+R2 = T_H / (0,693·C1) = 1,2 s / (0,693·47·10⁻⁶) ≈ 1,2 / 3,257·10⁻⁵ ≈ 36 840 Ω. Donc R1 = (R1+R2) – R2 ≈ 36 840 Ω – 24 560 Ω ≈ 12 280 Ω → 12 kΩ (valeur normalisée). **Réponse** : R1 ≈ 12 kΩ, R2 ≈ 24 kΩ, C1 = 47 µF. ### Exercice 3 – Choix du transistor de puissance pour lampe de détresse **Énoncé** : Deux lampes de détresse de 21 W chacune sont montées en parallèle sur un véhicule 12 V. Quel transistor Darlington (ex. TIP120) peut être utilisé, sachant que son V_CE(sat) ≈ 2 V et que son gain de courant h_FE ≈ 1000 ? Calculer le courant de base nécessaire pour saturer le transistor. **Corrigé** : Courant de chaque lampe : I_L = P/V = 21 W / 12 V = 1,75 A. Courant total : I_total = 2 × 1,75 A = 3,5 A. En saturation, V_CE ≈ 2 V, donc la puissance dissipée dans le transistor est P_CE = V_CE·I_C ≈ 2 V·3,5 A = 7 W (nécessite un radiateur). Courant de base requis : I_B = I_C / h_FE = 3,5 A / 1000 = 3,5 mA. Pour assurer une bonne marge, on prend souvent 2 à 3 fois cette valeur : I_B ≈ 10 mA. La résistance de base : R_B = (V_commande – V_BE) / I_B. En supposant une commande de 5 V provenant d’un microcontrôleur et V_BE ≈ 2 V (Darlington) : R_B = (5 V – 2 V) / 10 mA = 3 V / 0,01 A = 300 Ω → valeur normalisée 330 Ω. **Réponse** : Utiliser un TIP120 avec R_B ≈ 330 Ω (ou 300 Ω) pour fournir environ 10 mA de base, assurant la saturation à 3,5 A de collecteur. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |----|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | Oublier la diode de roue libre lors du pilotage d’un relais ou d’un moteur. | Tension de pointe pouvant dépasser 100 V, détruisant le transistor. | Toujours placer une diode en parallèle avec la charge inductive, cathode vers le potentiel le plus élevé. | | 2 | Sous‑estimer la puissance dissipée dans la résistance d’émetteur (R_E) ou de collecteur (R_C). | Surchauffe, dérive du point de repos, éventuelle destruction du composant. | Calculer P = I²·R ou P = V²/R et choisir une résistance avec une puissance nominale d’au moins 2× la valeur calculée. | | 3 | Utiliser une résistance de base trop faible, provoquant un courant de base excessif. | Saturation profonde, dissipation importante dans le transistor, risque de thermique runaway. | Limiter I_B à quelques milliampères pour les petits signaux ; vérifier avec la formule I_B = (V_commande – V_BE)/R_B. | | 4 | Ne pas décharger les condensateurs avant intervention. | Risque de choc électrique ou de détérioration du composant lors du court‑circuit accidentel. | Placer une résistance de 1 kΩ entre les bornes du condensateur pendant quelques secondes avant toute manipulation. | | 5 | Souder une piste trop fine pour le courant de la lampe (ex. 0,2 mm²). | Chauffe excessive, risque d’incendie ou de coupure de piste. | Utiliser une section de conducteur adaptée (ex. 1,5 mm² pour >10 A en automobile) et vérifier la chute de tension (<0,5 V). | | 6 | Négliger la ventilation du dissipateur thermique du transistor de puissance. | Augmentation de T_j, réduction de la durée de vie, déclenchement de la protection thermique. | Fixer le dissipateur avec de la pâte thermique, assurer un flux d’air libre ou ajouter un petit ventilateur si nécessaire. | --- *Fin du cours.*