Electronique et Realisation (ER) - Semestre 1

PART A - Presentation Generale du Cours

Contexte de la formation

Le module Electronique et Realisation (ER) constitue le coeur pratique de la formation GEII. Il combine theorie electronique et realisation concrete de circuits, permettant aux etudiants de comprendre le fonctionnement des composants electroniques et de les mettre en oeuvre dans des projets reels. L'utilisation intensive du logiciel Proteus ISIS prepare les etudiants a la conception assistee par ordinateur utilisee en entreprise.

Positionnement dans le cursus

• Semestre : S1 (1ere annee DUT GEII)
• Volume horaire : 70h (30h CM + 20h TD + 20h TP + Projets)
• Credits ECTS : 6
• Prerequis : Bases en electricite (niveau Terminale), mathematiques (nombres complexes)
• Continuite : ER S2 (Microcontroleurs, Interface, FPGA), puis Systemes Electroniques S3-S4

Public vise

Etudiants de premiere annee decouvrant l'electronique analogique avec une approche pratique et orientee projet. Le cours s'adresse aussi bien aux debutants qu'a ceux ayant suivi une specialite scientifique au lycee.

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PART B: EXPERIENCE, CONTEXTE ET FONCTION

Objectifs pedagogiques

Competences en composants electroniques :

• Identifier et caracteriser les composants passifs (R, L, C) et actifs (diodes, transistors, AOP)
• Comprendre le fonctionnement physique et les modeles equivalents
• Choisir les composants selon les specifications d'un cahier des charges
• Lire et interpreter une datasheet (fiche technique)

Competences en conception :

• Concevoir des circuits analogiques simples
• Simuler et valider un circuit avant realisation
• Dimensionner les composants
• Optimiser un circuit selon des contraintes

Competences pratiques :

• Utiliser Proteus ISIS pour la simulation
• Realiser des montages sur breadboard
• Mesurer et valider experimentalement
• Deboguer et depanner des circuits

Programme detaille

1. Composants passifs (10h)

Resistances (R) :

Caracteristiques :

• Loi d'Ohm : V = R x I
• Puissance dissipee : P = R x I² = V²/R
• Technologie : couche carbone, metalliques, bobinees
• Code couleur (4 ou 5 anneaux)
• Valeurs normalisees (serie E12, E24)

Associations :

• Serie : R_eq = R1 + R2 + ... + Rn
• Parallele : 1/R_eq = 1/R1 + 1/R2 + ... + 1/Rn
• Diviseur de tension : V_out = V_in x R2/(R1+R2)

Condensateurs (C) :

Principe physique :

• Stockage d'energie electrique (champ electrique)
• Relation : Q = C x V
• Courant : I = C x dV/dt
• Impedance complexe : Z_C = 1/(jCw) = -j/(Cw)

Technologies :

• Electrolytiques : Forte capacite (uF a mF), polarises, ESR elevee
• Ceramiques : Moyennes valeurs (pF a uF), non polarises, rapides
• Films : Precision, stabilite, audio

Applications :

• Filtrage d'alimentation (decouplage)
• Couplage/decouplage AC
• Filtres RC (passe-bas, passe-haut)
• Temporisation
• Stockage d'energie

Charge/decharge :

• Charge : V_C(t) = V_max x (1 - e^(-t/tau)) avec tau = RC
• Decharge : V_C(t) = V_max x e^(-t/tau)

Inductances (L) :

Principe physique :

• Stockage d'energie magnetique
• Tension : V = L x dI/dt
• Impedance complexe : Z_L = jLw

Applications :

• Filtrage (bobines de choc)
• Transformateurs
• Moteurs et relais
• Filtres LC

Impedances complexes (synthese) :

En regime sinusoidal (AC), utilisation de la notation complexe :

• Resistance : Z_R = R (en phase)
• Inductance : Z_L = jLw (courant en retard de 90 deg)
• Condensateur : Z_C = -j/(Cw) (courant en avance de 90 deg)

2. Diodes et applications (12h)

Diode a jonction PN :

Principe de fonctionnement :

• Jonction P-N de semi-conducteur (Si ou Ge)
• Conduction unidirectionnelle
• Polarisation directe : I = I_s x (e^(V/nV_T) - 1)
• Polarisation inverse : blocage (courant de fuite negligeable)

Caracteristiques :

• Tension de seuil : V_F ≈ 0.7V (Si), 0.3V (Ge), 0.2V (Schottky)
• Courant maximal (I_F max)
• Tension inverse max (V_R max ou PIV)
• Temps de commutation (diodes rapides)

Modeles equivalents :

• Modele ideal : Interrupteur parfait (V_F = 0)
• Modele simplifie : Source de tension V_F + resistance r_d
• Modele complet : Exponentiel (equation de Shockley)

Applications pratiques :

1. Redressement :

• Redresseur simple alternance : Conversion AC → DC pulse
• Redresseur double alternance (pont de Graetz) : 4 diodes, meilleur rendement
• Filtrage par condensateur : V_ripple ≈ I_load / (f x C)

2. Ecretage :

• Limitation d'amplitude d'un signal
• Protection contre les surtensions
• Mise en forme de signaux

3. Roue libre (free-wheeling) :

• Protection contre les surtensions inductives
• Circuit avec relais, moteurs, electrovannes

4. Diodes speciales :

• Diode Zener : Regulation de tension (tension de claquage controlee)
• LED : Emission lumineuse (V_F ≈ 1.8V a 3.3V selon couleur)
• Diode Schottky : Faible chute de tension, rapide (alimentation a decoupage)
• Photodiode : Conversion lumiere → courant

3. Transistors bipolaires (BJT) (15h)

Structure et fonctionnement :

Types :

• NPN : Collecteur (+), Base (commande), Emetteur (reference)
• PNP : Collecteur (-), Base (commande), Emetteur (reference)

Principe :

• 3 regions : Emetteur (E), Base (B), Collecteur (C)
• Controle du courant I_C par le courant I_B
• Gain en courant : beta = I_C / I_B (typiquement 100-300)

Modes de fonctionnement :

• Bloque : V_BE < V_seuil, transistor ouvert (I_C ≈ 0)
• Actif (lineaire) : V_BE ≥ 0.7V, I_C = beta x I_B, amplification
• Sature : V_BE ≥ 0.7V, I_C limite par charge, interrupteur ferme

Applications :

1. Interrupteur electronique :

        +Vcc
         |
        [R_C]  (charge)
         |
     C--+--
      NPN
      ---
       |
   [R_B]
       |
    Signal

Dimensionnement :

• I_B = (V_in - V_BE) / R_B
• I_C (sature) = (V_cc - V_CE(sat)) / R_C
• Verifier : beta x I_B > I_C (saturation assuree)

2. Amplificateur petit signal :

• Montage emetteur commun
• Gain en tension : A_v ≈ -R_C / R_E
• Polarisation par pont de base

3. Commande de relais/LED/moteur :

• Transistor en commutation
• Protection diode de roue libre

4. Amplificateurs operationnels (AOP) (20h)

Caracteristiques de l'AOP ideal :

• Gain en tension infini : A_v → ∞
• Impedance d'entree infinie : Z_in → ∞
• Impedance de sortie nulle : Z_out = 0
• Bande passante infinie
• Pas de courant d'entree : I+ = I- = 0
• Regle d'or : En boucle fermee, V+ = V-

Montages fondamentaux :

1. Suiveur (Buffer) :

• Gain : A_v = 1
• Impedance d'entree tres elevee
• Adaptation d'impedance

2. Amplificateur inverseur :

    R2
   +---+
   |   |
R1 |   v
---+-  |
   |+  +--- V_out
---+   |
   +---+

• Gain : A_v = -R2/R1
• Z_in = R1

3. Amplificateur non-inverseur :

• Gain : A_v = 1 + R2/R1
• Z_in tres elevee

4. Sommateur inverseur :

• V_out = -(R_f/R1 x V1 + R_f/R2 x V2 + ...)
• Mixer audio, DAC

5. Integrateur :

• V_out = -(1/RC) ∫ V_in dt
• Generation de rampes, filtres

6. Derivateur :

• V_out = -RC x dV_in/dt
• Detection de fronts

7. Comparateur :

• V_out = +V_sat si V+ > V-, sinon -V_sat
• Detection de seuil

8. Trigger de Schmitt :

• Comparateur avec hysteresis
• Antirebond, mise en forme de signaux

AOP reels utilises :

• TL081/TL084 : JFET, faible courant d'entree
• LM741 : Classique, universel
• LM358 : Dual, alimentation simple
• OPA27 : Bas bruit, precision

Projets pratiques

Projet Radar 2020

Objectif : Concevoir un systeme de detection et mesure de distance par ultrasons

Specifications :

• Emission d'impulsions ultrasoniques (40 kHz)
• Reception et amplification du signal echo
• Mesure du temps de vol
• Calcul et affichage de la distance

Blocs fonctionnels :

1. Emetteur ultrasonique : Oscillateur 40 kHz + transducteur
2. Recepteur : Transducteur + amplification (AOP)
3. Traitement du signal : Detection d'enveloppe, comparateur
4. Logique de mesure : Microcontroleur ou circuit numerique
5. Affichage : LCD ou LEDs

Competences developpees :

• Conception de circuits analogiques
• Amplification de signaux faibles
• Interface analogique/numerique
• Mesure de temps et calcul de distance

Derivateur de frequence

Objectif : Realiser un circuit dont la sortie est proportionnelle a la derivee du signal d'entree

Principe :

• Circuit derivateur a base d'AOP : V_out = -RC x dV_in/dt
• Etude de la reponse frequentielle
• Compensation et stabilisation

Analyse :

• Fonction de transfert : H(jw) = -jRCw
• Gain : |H| = RCw (croissance lineaire avec f)
• Phase : phi = +90 deg (avance de phase)

Applications :

• Detection de fronts
• Calcul de vitesse (derivee de position)
• Filtres actifs

Semaine Projet - Filtrage de son

Objectif : Concevoir un systeme complet de filtrage actif pour isoler des composantes frequentielles d'un signal audio

Cahier des charges :

• Entree : Signal audio (micro ou line-in)
• Filtres : Passe-bas, passe-bande, passe-haut
• Frequences de coupure ajustables
• Sortie : Haut-parleur ou line-out

Realisation :

1. Analyse : Decomposition frequentielle du signal
2. Conception : Choix topologie (Butterworth, Sallen-Key)
3. Simulation : Proteus ISIS, analyse frequentielle
4. Dimensionnement : Calcul des composants
5. Realisation : Montage sur breadboard puis PCB
6. Tests : Mesures oscilloscope et analyseur de spectre
7. Documentation : Rapport technique complet

Livrables :

• Schemas electroniques
• Simulations (diagrammes de Bode)
• Prototype fonctionnel
• Mesures et validation
• Rapport technique

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PART C: ASPECTS TECHNIQUES

Logiciels de simulation

Proteus ISIS (Labcenter Electronics)

Fonctionnalites :

• Saisie de schemas electroniques
• Bibliotheque exhaustive de composants
• Simulation SPICE (analogique, numerique, mixte)
• Instruments virtuels (oscilloscope, multimetre, GBF)
• Simulation temporelle et frequentielle
• Analyse DC, AC, transitoire

Workflow de conception :

1. Creation de schema :

• Placer les composants (P)
• Cabler (W pour wire)
• Nommer les noeuds (L pour label)
• Definir les valeurs des composants

2. Instruments virtuels :

• Oscilloscope : Visualisation temporelle
• Voltmetre/Amperemetre : Mesures DC/AC
• GBF (generateur) : Signaux d'excitation
• Analyseur de spectre : Contenu frequentiel

3. Simulation :

• Transient Analysis : Evolution temporelle
• AC Sweep : Reponse frequentielle (Bode)
• DC Sweep : Caracteristique statique

4. Exploitation :

• Releve de courbes
• Mesures (amplitude, phase, frequence)
• Export vers rapport

Exemple : Simulation d'un filtre RC passe-bas

1. Schema : GBF → R → C → GND
2. Parametres GBF : Sinus, amplitude 5V, sweep 1Hz-100kHz
3. Oscilloscope : Entree (GBF) et sortie (noeud RC)
4. AC Analysis : Tracer |H(f)| et Phase(f)
5. Mesure f_c a -3dB : f_c = 1/(2piRC)

Conseils pratiques :

• Nommer explicitement les noeuds importants
• Utiliser des masses communes
• Verifier les modeles de composants (parfois idealises)
• Sauvegarder regulierement
• Documenter avec des annotations sur le schema

Alternatives et complements

LTspice (Analog Devices) :

• Gratuit, tres performant
• Simulation SPICE pure
• Bibliotheque de composants ADI
• Export SPICE depuis Proteus possible

Tinkercad Circuits :

• Simulation en ligne gratuite
• Interface simple et intuitive
• Ideal pour apprentissage
• Limitation : Moins de composants

Equipements de laboratoire

Oscilloscope numerique

Fonctions principales :

• Acquisition : Echantillonnage du signal (MHz a GHz)
• Affichage : Visualisation temporelle
• Mesures automatiques : V_pp, V_rms, f, periode, duty cycle
• Declenchement (trigger) : Edge, pulse, video
• Curseurs : Mesures precises
• Math : Operations (A+B, A-B, FFT)

Utilisation typique :

• Reglage base de temps (s/div) et sensibilite (V/div)
• Declenchement sur le signal
• Mode AC/DC selon l'application
• Mesure dephasage entre 2 signaux (mode XY ou mesure temporelle)

Generateur de fonctions (GBF)

Signaux generes :

• Sinusoidal : Tests frequentiels, audio
• Carre : Signaux logiques, PWM
• Triangle/Rampe : Balayage, integration
• Impulsion : Tests transitoires
• Bruit : Tests de robustesse

Parametres reglables :

• Frequence : mHz a MHz
• Amplitude : mV a V
• Offset DC : Decalage vertical
• Duty cycle : Rapport cyclique (signaux carres)
• Sweep : Balayage en frequence

Multimetre numerique

Mesures :

• Tension DC/AC (V)
• Courant DC/AC (A)
• Resistance (Ohm)
• Continuite (beeper)
• Test de diodes (V_F)
• Capacite (certains modeles)
• Frequence (certains modeles)

Precision :

• Classe 0.5% a 3% selon gamme et modele
• Attention aux calibres (protection fusibles)

Techniques de montage

Breadboard (plaque d'essai)

Avantages :

• Montage rapide sans soudure
• Modifications faciles
• Reutilisable

Inconvenients :

• Contacts parfois instables
• Capacites parasites (limite HF)
• Pas adapte aux courants eleves

Bonnes pratiques :

• Alimentations sur les rails lateraux
• Condensateurs de decouplage pres des CIs
• Fils courts et organises
• Code couleur (rouge = +, noir = GND, autres = signaux)

Soudure sur PCB

Etapes :

1. Etamage du fer (pointe propre et brillante)
2. Placer le composant
3. Chauffer simultanement piste et patte (2-3 sec)
4. Apporter l'etain (fusion sur zone chaude)
5. Retirer etain puis fer
6. Laisser refroidir naturellement

Soudure reussie :

• Forme conique brillante
• Piste et patte bien mouillees
• Pas de boule ou pont

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PART D: ANALYSE ET REFLEXION

Evaluation des competences

Modalites d'evaluation

Controle continu (35%) :

• 2 controles ecrits (15% chacun) : Exercices sur composants, AOP, transistors
• QCM (5%) : Theorie, composants, lecture de schemas

Travaux pratiques (35%) :

• 6 TP notes avec comptes-rendus
• Evaluation : Montage, mesures, analyse, documentation

Projets (20%) :

• Projet Radar : 7%
• Projet Derivateur : 6%
• Semaine Projet Filtrage : 7%

Examen terminal (10%) :

• Epreuve theorique/pratique (2h)
• Analyse de circuit + dimensionnement

Grille d'evaluation TP

Critere	Bareme
Montage : Schema realise correctement, cablage propre	/4
Mesures : Utilisation correcte des appareils, releves precis	/5
Analyse : Comparaison theorie/pratique, interpretation	/5
Simulation : Proteus fonctionnel, coherence avec mesures	/3
Compte-rendu : Clarte, rigueur, presentation	/3
Total	/20

Competences acquises

Savoirs theoriques

• Connaitre les composants passifs et actifs
• Comprendre les modeles equivalents et limites
• Maitriser les montages a base d'AOP
• Analyser des circuits analogiques

Savoir-faire techniques

• Lire et interpreter un schema electronique
• Simuler un circuit avec Proteus ISIS
• Dimensionner des composants selon un cahier des charges
• Realiser des montages sur breadboard
• Mesurer avec oscilloscope, multimetre, GBF
• Deboguer un circuit (methode systematique)
• Rediger un compte-rendu technique

Savoir-etre

• Rigueur dans les montages et mesures
• Methode face a un dysfonctionnement
• Respect des normes de securite
• Travail en binome
• Autonomie et curiosite technique

Progression et debouches

Articulation avec le cursus

Semestre	Module ER	Contenu
S1	ER 1	Composants passifs/actifs, AOP, Proteus
S2	ER Microcontroleur	Programmation Arduino, capteurs/actionneurs
S2	ER Interface	Circuits d'interface (drivers, optocoupleurs)
S2	ER FPGA	Logique programmable (Quartus, VHDL)
S3-S4	Systemes Electroniques	Conception complete de cartes PCB

Metiers et applications

Metiers utilisant ces competences :

• Technicien/Ingenieur en electronique analogique
• Concepteur de cartes electroniques
• Technicien de maintenance electronique
• Testeur/Valideur de systemes electroniques
• Automaticien (interface capteurs/actionneurs)

Domaines d'application :

• Electronique embarquee (automobile, aeronautique)
• Instrumentation de mesure
• Audio/Video professionnel
• Automatismes industriels
• Dispositifs medicaux
• Objets connectes (IoT)

Conseils de reussite

Pendant les cours/TD

• Dessiner les schemas au fur et a mesure
• Comprendre les montages types (a connaitre par coeur)
• Refaire les calculs de dimensionnement chez soi

En TP

A faire :

• Lire le sujet et preparer les calculs avant la seance
• Verifier le montage avant la mise sous tension
• Mesurer methodiquement (DC avant AC)
• Noter immediatement les mesures dans un tableau
• Analyser les ecarts theorie/pratique
• Rediger le CR rapidement apres le TP

A eviter :

• Brancher sans reflechir
• Alimenter sans verifier les polarites
• Oublier de mettre a la masse
• Toucher les composants sous tension

Pour les projets

• Decomposer en blocs fonctionnels
• Tester chaque bloc independamment
• Simuler avant de realiser
• Documenter au fur et a mesure
• Prevoir du temps pour le debogage

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Ressources complementaires

Ouvrages de reference

1. Electronique - Fondements et applications - Jose-Philippe Perez (Dunod) - LA reference
2. The Art of Electronics - Horowitz & Hill (Cambridge) - Bible de l'electronique
3. Electronique analogique - Francois Manneville (Dunod)
4. Amplificateurs operationnels - Henri Fanet (Dunod)

Datasheets (fiches techniques)

Ou les trouver :

• Sites fabricants (Texas Instruments, Analog Devices, STMicroelectronics)
• Distributeurs (Mouser, Digi-Key, Farnell)
• Google : "[reference composant] datasheet filetype:pdf"

Comment les lire :

• Absolute Maximum Ratings : Ne JAMAIS depasser
• Electrical Characteristics : Parametres typiques et limites
• Application circuits : Exemples de montages
• Package : Brochage (pinout)

Ressources en ligne

Cours et tutoriels :

• All About Circuits (allaboutcircuits.com) - Complet et gratuit
• Electronics Tutorials (electronics-tutorials.ws)
• Cours Fabrice Sincere (fabrice.sincere.free.fr)

Chaines YouTube :

• GreatScott! : Projets DIY, explications claires
• EEVblog : Reviews, teardowns, theorie
• ElectroBOOM : Pedagogie avec humour
• Andreas Spiess : Projets IoT, microcontroleurs

Simulateurs en ligne :

• Falstad Circuit Simulator (falstad.com/circuit) - Tres interactif
• EveryCircuit (everycircuit.com) - Animations
• CircuitLab (circuitlab.com) - Complet

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Securite et bonnes pratiques

Regles de securite

• Ne jamais toucher un circuit sous tension
• Verifier les polarites avant d'alimenter
• Respecter les tensions et courants max des composants
• Eteindre avant de modifier le cablage
• Attention aux condensateurs charges (decharge avant manipulation)

Demarche de debogage systematique

Circuit qui ne fonctionne pas :

1. Verifier l'alimentation (tensions presentes ?)
2. Verifier les masses (continuite)
3. Controler le cablage (schema vs realisation)
4. Tester les composants individuellement
5. Verifier les polarites (diodes, condensateurs electrolytiques, CIs)
6. Mesurer point par point (de l'entree vers la sortie)

Composant qui chauffe :

• ETEINDRE IMMEDIATEMENT
• Verifier polarite et branchement
• Verifier l'absence de court-circuit
• Remplacer le composant (probablement grille)

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Bon courage dans votre decouverte de l'electronique !

"In theory, there is no difference between theory and practice. In practice, there is." - Yogi Berra

L'electronique est un domaine pratique. Experimentez, testez, cassez (un peu), reparez, et surtout : amusez-vous !

        +Vcc
         |
        [R_C]  (load)
         |
     C--+--
      NPN
      ---
       |
   [R_B]
       |
    Signal

    R2
   +---+
   |   |
R1 |   v
---+-  |
   |+  +--- V_out
---+   |
   +---+

1. Schematic: Function gen → R → C → GND
2. Generator parameters: Sine, 5V amplitude, sweep 1Hz-100kHz
3. Oscilloscope: Input (generator) and output (RC node)
4. AC Analysis: Plot |H(f)| and Phase(f)
5. Measure f_c at -3dB: f_c = 1/(2piRC)