Génie électromécanique
Électronique I – Cours MPSI, PCSI et TSI Circuits et composants
Oct
Électronique I – Cours pour MPSI, PCSI et TSI : principes, circuits et composants
L’Électronique I constitue une introduction essentielle à l’étude des circuits électroniques pour les étudiants des classes préparatoires scientifiques. Elle permet de comprendre les grandeurs électriques fondamentales, le comportement des composants, l’analyse des circuits et les méthodes utilisées pour étudier les signaux électriques.
Le support présenté, intitulé Électronique I – MPSI, PCSI et TSI, est attribué à Hassan Adoch, indiqué sur la couverture comme professeur agrégé au Lycée Ibn Timiya et enseignant en classes préparatoires aux grandes écoles à Marrakech.
L’électronique constitue une base particulièrement importante pour les étudiants qui poursuivent ensuite vers l’électrotechnique, l’automatique, le génie électrique, les systèmes embarqués ou l’électronique de puissance.
Qu’est-ce que l’électronique ?
Skip to PDF contentL’électronique est une discipline qui étudie les circuits et composants permettant de contrôler, transmettre, transformer ou traiter des signaux électriques.
Un circuit électronique peut être constitué de composants relativement simples comme :
- résistances ;
- condensateurs ;
- diodes ;
- transistors ;
- sources de tension ;
- circuits intégrés.
Ces éléments sont reliés entre eux afin de réaliser une fonction particulière.
Un circuit peut par exemple amplifier un signal, filtrer certaines fréquences, commander un équipement ou convertir une tension.
Pourquoi étudier Électronique I en classes préparatoires ?
L’objectif d’un premier cours d’électronique n’est pas uniquement d’apprendre le nom des composants.
Il s’agit surtout de comprendre comment analyser un circuit.
L’étudiant doit progressivement apprendre à :
- reconnaître les composants ;
- identifier les grandeurs électriques ;
- appliquer les lois fondamentales ;
- comprendre les régimes continu et variable ;
- analyser les signaux ;
- établir des équations ;
- interpréter les résultats.
Ces méthodes sont ensuite réutilisées dans de nombreuses disciplines scientifiques et techniques.
Les grandeurs électriques fondamentales
Trois grandeurs sont particulièrement importantes au début de l’étude des circuits.
La tension électrique
La tension représente une différence de potentiel entre deux points d’un circuit.
Elle est exprimée en volts, symbole V.
On la note souvent U dans les exercices.
La tension peut être constante ou varier au cours du temps.
Le courant électrique
Le courant correspond à la circulation des charges électriques.
Son intensité est exprimée en ampères, symbole A.
Elle est généralement notée I.
Le sens du courant doit être défini lors de l’analyse afin d’interpréter correctement le signe du résultat obtenu.
La résistance électrique
La résistance caractérise l’opposition d’un composant au passage du courant dans le cadre d’un modèle résistif.
Elle est exprimée en ohms, symbole Ω.
Ces trois grandeurs permettent déjà d’étudier de nombreux circuits élémentaires.
La loi d’Ohm
La loi d’Ohm constitue l’une des relations essentielles en électronique.
Pour une résistance idéale :
U = R × I
avec :
- U : tension ;
- R : résistance ;
- I : courant.
Cette relation peut également être écrite :
I = U / R
ou :
R = U / I
Elle permet de calculer une grandeur lorsque les deux autres sont connues.
La loi d’Ohm constitue une base avant d’aborder des réseaux comportant plusieurs résistances.
Association de résistances
Les résistances peuvent être associées de différentes manières.
Résistances en série
Lorsque plusieurs résistances sont traversées par le même courant, elles peuvent être étudiées comme une association en série.
Dans le modèle élémentaire, leur résistance équivalente est la somme des résistances.
Résistances en parallèle
Dans une association en parallèle, les composants sont soumis à la même tension entre les deux nœuds concernés.
La résistance équivalente est alors calculée à partir de l’association des conductances ou des inverses des résistances.
Ces deux configurations apparaissent fréquemment dans les exercices de circuits électriques.
Les lois de Kirchhoff
Lorsque les circuits deviennent plus complexes, les lois de Kirchhoff sont particulièrement utiles.
Loi des nœuds
La loi des nœuds repose sur la conservation de la charge électrique.
Elle permet d’établir une relation entre les courants qui arrivent à un nœud et ceux qui en repartent.
Loi des mailles
La loi des mailles permet d’établir des relations entre les tensions le long d’un contour fermé du circuit.
Ces deux méthodes permettent d’analyser des circuits contenant plusieurs branches et plusieurs sources.
Les générateurs électriques
Un circuit nécessite généralement une source d’énergie.
Dans les exercices, on peut utiliser des modèles de générateurs idéaux ou réels.
Une source de tension impose une tension selon le modèle choisi.
Une source de courant impose quant à elle un courant.
Comprendre les modèles utilisés est essentiel avant d’effectuer les calculs.
Il faut toujours distinguer le composant réel du modèle simplifié utilisé dans l’exercice.
Le condensateur
Le condensateur constitue un composant fondamental de l’électronique.
Il permet de stocker de l’énergie dans un champ électrique.
Sa capacité est exprimée en farads, symbole F.
Dans les circuits électroniques, on utilise fréquemment :
- µF ;
- nF ;
- pF.
Les condensateurs sont notamment utilisés dans les circuits de filtrage, temporisation et traitement des signaux.
Charge et décharge d’un condensateur
Lorsqu’un condensateur est associé à une résistance et à une source, sa tension n’évolue pas nécessairement instantanément.
La charge et la décharge peuvent suivre une évolution progressive.
Les circuits RC constituent donc des systèmes très importants dans l’apprentissage de l’électronique.
Ils permettent d’étudier :
- évolution temporelle ;
- régime transitoire ;
- constante de temps ;
- réponse d’un circuit.
Ces notions permettent ensuite d’aborder des systèmes plus avancés.
La constante de temps d’un circuit RC
Dans un modèle simple associant une résistance R et un condensateur C, la constante de temps est liée au produit :
τ = R × C
Cette grandeur permet de caractériser l’évolution temporelle du circuit.
Elle constitue une notion importante pour comprendre les phénomènes transitoires.
L’étudiant doit cependant toujours vérifier les hypothèses et la configuration exacte du circuit avant d’appliquer directement une formule.
Les signaux électriques
Un signal électrique représente l’évolution d’une grandeur comme la tension ou le courant.
On peut rencontrer différents signaux :
- continu ;
- sinusoïdal ;
- carré ;
- triangulaire ;
- impulsionnel.
Chaque forme de signal possède des caractéristiques particulières.
L’étude des signaux permet de passer de l’analyse statique des circuits à l’étude de leur comportement dans le temps.
Le signal sinusoïdal
Le signal sinusoïdal possède une importance particulière en électronique et en électrotechnique.
Il peut être caractérisé par :
- amplitude ;
- fréquence ;
- période ;
- phase.
La fréquence est exprimée en hertz.
Elle correspond au nombre de cycles effectués pendant une seconde.
La période est liée à la fréquence par la relation :
T = 1 / f
Cette notion est essentielle pour l’étude des circuits en régime sinusoïdal.
Déphasage entre deux signaux
Deux signaux sinusoïdaux de même fréquence peuvent ne pas atteindre leurs maxima au même instant.
On parle alors de déphasage.
Le déphasage est particulièrement important lorsqu’on étudie les circuits contenant des composants réactifs comme les condensateurs et les inductances.
Il permet de comprendre la relation temporelle entre tension et courant.
Cette notion devient ensuite centrale en électrotechnique et dans l’étude de la puissance en courant alternatif.
Les filtres électroniques
Un filtre permet de modifier un signal selon sa fréquence.
On distingue notamment :
- filtre passe-bas ;
- filtre passe-haut ;
- filtre passe-bande.
Un filtre passe-bas favorise les basses fréquences tout en atténuant davantage certaines fréquences élevées.
Un filtre passe-haut possède le comportement opposé.
L’étude des filtres constitue une application directe des circuits RC et de l’analyse fréquentielle.
La fréquence de coupure
La fréquence de coupure constitue une caractéristique importante d’un filtre.
Elle permet de définir une zone de transition du comportement du circuit.
La détermination de cette fréquence dépend de la structure du filtre étudié.
Pour un filtre RC élémentaire, elle est liée aux valeurs de R et C.
L’analyse doit cependant tenir compte du montage exact avant d’utiliser une relation simplifiée.
Les diodes
La diode est un composant semi-conducteur très utilisé en électronique.
Elle présente un comportement différent selon sa polarisation.
Les diodes interviennent notamment dans :
- redressement ;
- protection ;
- limitation ;
- détection ;
- signalisation.
Leur étude introduit une différence importante avec les résistances : le composant peut présenter un comportement non linéaire.
Cela oblige à adapter les méthodes d’analyse.
Les LED
La LED, ou diode électroluminescente, est une diode capable d’émettre de la lumière lorsqu’elle fonctionne dans des conditions adaptées.
Les LED sont utilisées comme :
- voyants ;
- indicateurs ;
- éléments d’affichage ;
- éclairage.
Elles sont clairement reconnaissables sur la photographie de montage présente sur la couverture du support.
Dans un montage, il faut contrôler correctement le courant traversant une LED.
Les transistors
Le transistor constitue l’un des composants les plus importants de l’électronique.
Il peut être utilisé notamment pour :
- amplification ;
- commutation ;
- commande ;
- traitement des signaux.
L’étude du transistor permet de passer des composants passifs à des circuits capables de contrôler activement les signaux.
Plusieurs technologies de transistors existent et possèdent des modèles différents.
Le transistor en commutation
Dans certaines applications, le transistor peut fonctionner comme un interrupteur électronique.
Un signal de commande permet alors d’agir sur le courant traversant une charge.
Cette propriété est très utilisée pour commander :
- LED ;
- relais ;
- petits moteurs ;
- interfaces de puissance.
Elle permet également de comprendre le lien entre électronique et automatisme.
Le transistor en amplification
Un transistor peut également être utilisé pour amplifier un signal.
Le principe consiste à utiliser une variation relativement faible à l’entrée afin de contrôler une variation plus importante en sortie.
L’étude de l’amplification nécessite de comprendre :
- polarisation ;
- point de fonctionnement ;
- gain ;
- signaux d’entrée et de sortie.
Ces notions constituent une étape importante dans un cours d’électronique analogique.
Les circuits intégrés
Un circuit intégré regroupe plusieurs composants électroniques dans un même boîtier.
La photographie présente sur la couverture montre d’ailleurs un montage sur plaque d’essai comportant un circuit intégré.
Ces composants peuvent assurer différentes fonctions :
- amplification ;
- logique ;
- temporisation ;
- traitement ;
- conversion.
Avant d’utiliser un circuit intégré, il faut identifier sa référence et consulter sa documentation.
La plaque d’essai ou breadboard
La couverture montre un montage réalisé sur une plaque d’essai, souvent appelée breadboard.
Cet outil permet de réaliser rapidement des circuits sans soudure.
Les composants sont insérés dans des contacts internes reliés selon une organisation spécifique.
Elle est particulièrement pratique pour :
- expérimenter ;
- tester un montage ;
- modifier facilement un circuit ;
- apprendre l’électronique.
Cependant, il faut bien comprendre les connexions internes de la plaque pour éviter les erreurs de câblage.
Mesurer avec un multimètre
Le multimètre permet d’effectuer plusieurs types de mesures selon le modèle.
Il peut servir à mesurer :
- tension ;
- résistance ;
- courant ;
- continuité.
Avant chaque mesure, il faut vérifier le mode sélectionné et les branchements de l’appareil.
La mesure du courant ne se réalise notamment pas de la même manière que la mesure d’une tension.
Une mauvaise utilisation peut provoquer un résultat erroné ou endommager le matériel.
L’oscilloscope en électronique
L’oscilloscope permet d’observer l’évolution d’un signal au cours du temps.
Il est particulièrement utile pour mesurer ou analyser :
- amplitude ;
- période ;
- fréquence ;
- déphasage ;
- forme d’onde.
Pour l’étude des circuits variables, il apporte des informations que le multimètre seul ne permet pas toujours d’observer.
Il constitue donc un outil essentiel dans les travaux pratiques d’électronique.
Comment résoudre un exercice d’électronique ?
Une bonne méthode consiste à commencer par représenter clairement le circuit.
Ensuite :
- identifier les données ;
- définir les inconnues ;
- choisir les sens des courants ;
- repérer les nœuds et mailles ;
- écrire les relations appropriées ;
- résoudre les équations ;
- vérifier les unités ;
- interpréter le résultat.
Cette dernière étape est importante.
Un résultat mathématique peut être correct tout en révélant, par son signe par exemple, que le sens réel est opposé au sens choisi initialement.
Pourquoi vérifier les unités ?
Les erreurs d’unités sont fréquentes dans les exercices.
Il faut notamment faire attention aux conversions entre :
- A et mA ;
- V et mV ;
- Ω et kΩ ;
- F, µF et nF ;
- Hz et kHz.
Une valeur de condensateur mal convertie peut modifier complètement le résultat d’une constante de temps ou d’une fréquence.
La vérification des unités doit donc devenir systématique.
Électronique et électrotechnique
L’électronique et l’électrotechnique sont complémentaires.
L’électronique s’intéresse notamment au traitement et à la commande des signaux.
L’électrotechnique traite davantage de la production, de la transformation et de l’utilisation de l’énergie électrique, notamment avec les moteurs et transformateurs.
Dans les systèmes modernes, les deux domaines sont souvent étroitement liés.
Électronique et automatisme
Les systèmes automatisés utilisent de nombreux circuits électroniques.
Un capteur fournit un signal.
Ce signal peut être adapté par un circuit électronique avant d’être traité par un automate ou un contrôleur.
La chaîne peut être représentée simplement :
Capteur → électronique de traitement → commande → actionneur
Comprendre les bases de l’électronique facilite donc beaucoup l’apprentissage de l’automatisation industrielle.
À qui s’adresse Électronique I ?
D’après la couverture, le support Électronique I est destiné aux filières :
- MPSI ;
- PCSI ;
- TSI.
Il peut également être utile à d’autres étudiants souhaitant revoir les fondamentaux des circuits électriques et électroniques.
Le niveau de classes préparatoires implique généralement de combiner compréhension physique et maîtrise mathématique des méthodes d’analyse.
Conclusion
Le cours Électronique I – MPSI, PCSI et TSI constitue une base intéressante pour apprendre à analyser les circuits et comprendre les principaux phénomènes électroniques.
Tension, courant, résistances, condensateurs, régimes transitoires, signaux, diodes et transistors forment progressivement un ensemble cohérent de connaissances.
Le support présenté est attribué à Hassan Adoch, indiqué sur la couverture comme professeur agrégé au Lycée Ibn Timiya et enseignant en classes préparatoires aux grandes écoles à Marrakech.
Pour progresser efficacement, il est particulièrement utile de combiner le cours avec des exercices et des expérimentations sur plaque d’essai. L’objectif n’est pas seulement de connaître les formules, mais de comprendre le comportement réel des circuits et de savoir choisir la méthode adaptée à chaque problème.
FAQ – Électronique I
À qui s’adresse le cours Électronique I ?
La couverture indique qu’il est destiné aux étudiants en MPSI, PCSI et TSI.
Quelles sont les bases à apprendre en électronique ?
Les principales bases comprennent la tension, le courant, les résistances, les condensateurs, les lois des circuits et l’analyse des signaux.
À quoi sert un condensateur ?
Un condensateur peut stocker temporairement de l’énergie électrique et intervient notamment dans les circuits RC, les filtres et les systèmes de temporisation.
Pourquoi apprendre les lois de Kirchhoff ?
Elles permettent d’étudier des circuits plus complexes comportant plusieurs nœuds, branches et mailles.
À quoi sert une diode ?
Une diode permet de contrôler le passage du courant selon ses conditions de polarisation et intervient notamment dans le redressement et la protection.
Quel est le rôle d’un transistor ?
Il peut notamment être utilisé pour amplifier un signal ou pour réaliser une commutation électronique.
Pourquoi utiliser une breadboard ?
Elle permet de réaliser et modifier facilement des montages électroniques expérimentaux sans effectuer de soudure.
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