Composants électroniques de base
Cette page traite des composants électroniques de base : résistances, condensateurs, inductances, transformateurs et cristaux de quartz. Elle explique comment les identifier et comprendre leurs modes de défaillance courants, et comment les tester. Contenu
Sommaire
Les éléments de base qui constituent le "mobilier" d'un circuit électronique sont les résistances et les potentiomètres (ou résistances variables), les condensateurs de différentes sortes, les inductances et les transformateurs, et les cristaux de quartz. Nous décrivons ci-dessous comment les identifier, ce qu'ils font, comment ils tombent parfois en panne et comment les tester.
Vous pouvez lire cette page seule si vous le souhaitez, mais si vous n'êtes pas déjà familiarisé avec la théorie de base de l'électricité et de l'électronique, vous en tirerez plus de profit si vous lisez d'abord Circuits électriques, volts, ampères, watts et ohms.
Résistances
Dans de nombreux circuits, les résistances sont les composants les plus courants. Elles sont aussi généralement les moins chères. Leur but est de résister au flux d'électricité, soit pour limiter le courant pour une tension appliquée donnée (pression électrique), soit pour permettre à une certaine tension (pression) de s'accumuler lorsqu'un courant donné circule. La plupart sont constituées d'une fine couche d'oxyde ou de carbone déposée sur une base en céramique. De la chaleur est toujours générée dans une résistance lorsque le courant circule, souvent en très petite quantité mais parfois en grande quantité.
Parfois, vous pouvez rencontrer une thermistance, c'est-à-dire une résistance dont la résistance diminue sensiblement avec l'augmentation de la température, ou une résistance dépendant de la lumière (LDR) dont la résistance diminue avec l'augmentation de la luminosité.
La résistance se mesure en Ohms (Ω), kilOhms (kΩ - milliers d'Ohms) ou mégOhms (MΩ - millions d'Ohms).
À titre d'aparté intéressant, si les résistances sont les composants les plus courants et les moins chers d'un circuit conventionnel, elles sont coûteuses à fabriquer sur une puce en silicium car elles prennent beaucoup de place. Par conséquent, une puce peut contenir des milliards de transistors mais peu ou pas de résistances !
Identification
Les résistances ont deux fils et, très souvent, leur résistance est indiquée par un certain nombre de bandes de couleur (voir le code couleur des résistances).
Les résistances montées en surface sont généralement noires, rectangulaires et dotées d'une plage de soudure argentée à chaque extrémité. Leur taille varie de quelques millimètres à une fraction de millimètre.
Une résistance de puissance est plus grande qu'une résistance ordinaire, ce qui lui permet de dissiper la quantité de chaleur nécessaire. Souvent, sa valeur est imprimée sur la résistance au lieu d'être codée par couleur.
Recherche de pannes et réparation
Les résistances sont généralement très fiables. Lorsqu'elles tombent en panne, généralement à cause d'une surchauffe, c'est presque toujours à cause de la défaillance d'un autre composant qui fait passer trop de courant. Dans les équipements mal conçus qui ne permettent pas à la chaleur de s'échapper, une surchauffe modérée sur une longue période peut provoquer une panne.
Potentiomètres
Un potentiomètre (ou pot, en abrégé) est simplement une résistance dotée d'une troisième connexion qui peut être déplacée en tout point de sa longueur, de manière à prélever une partie quelconque de la résistance totale.
Identification
Les potentiomètres sont très couramment utilisés pour le contrôle du volume dans les équipements audio (bien qu'ils soient remplacés par des contrôles numériques). Ils sont constitués d'une tige à laquelle est fixée une molette en façade, ou parfois d'une roue moletée dont le bord est exposé pour le réglage. Les potentiomètres jumelés, dont deux sont montés sur une broche, sont souvent utilisés dans les équipements stéréo pour contrôler le volume des deux canaux stéréo.
Les petits potentiomètres à tête de vis fendue se trouvent souvent à l'intérieur des équipements pour un réglage unique pendant la fabrication et les tests
Recherche de pannes et réparation
Les potentiomètres sont beaucoup moins fiables que les résistances fixes. La piste peut s'user ou se fissurer, ou la pression du curseur sur la piste peut s'affaiblir. Il est parfois possible d'augmenter la pression en pliant le curseur métallique, mais les pots ne sont normalement pas conçus pour être démontés et il est généralement préférable de les remplacer pour une réparation durable.
Une solution rapide, qui fonctionne parfois, consiste à injecter du liquide de nettoyage pour interrupteurs dans le boîtier par tous les interstices ou fentes visibles, par exemple sous les bornes, puis à tourner plusieurs fois le bouton d'un bout à l'autre de sa course.
Si vous trouvez un pot de tête de vis fendu à l'intérieur d'un équipement, ne le réglez jamais sans savoir à quoi il sert et comment trouver la position correcte. Même dans ce cas, il vaut la peine de marquer la position d'origine avant de commencer, afin de pouvoir toujours y revenir.
Condensateurs
Avec un peu de chance, vous vous souviendrez que, comme les charges semblables se repoussent, l'électricité a horreur de s'accumuler et que, par conséquent, un circuit doit être complété (par exemple en fermant un interrupteur) avant qu'un courant puisse circuler.
Cependant, l'électricité s'accumulera dans une certaine mesure si vous appliquez une tension (une pression électrique), mais seulement jusqu'à ce que la contre-pression soit égale à la tension que vous appliquez.
S'il n'y a pas beaucoup d'endroits où l'électricité peut aller, ce sera très vite, comme si vous essayiez d'envoyer beaucoup de voitures dans un court cul-de-sac. Mais vous pouvez faciliter la vie de l'électricité en lui donnant de la place pour s'étendre, comme s'il y avait un grand parking au bout du cul-de-sac. Et lorsque vous arrêtez de pousser l'électricité, elle ressort en masse dès que la pression est relâchée.
Un condensateur est un dispositif qui permet à l'électricité de s'accumuler en lui offrant un espace pour s'étaler. L'un des types les plus simples consiste simplement en deux longues bandes de feuille d'aluminium séparées par une fine bande isolante de plastique, puis enroulées, avec un fil connecté à chaque bande. Si vous les connectez aux deux bornes d'une batterie, une charge positive s'écoulera de la borne positive de la batterie vers l'une des bandes. Comme elle est à proximité de l'autre bande, elle repousse une quantité égale de charge positive de cette bande, qui retourne dans la borne négative de la batterie. Si vous déconnectez la batterie, la charge électrique reste jusqu'à ce que vous connectiez les deux fils ensemble, ce qui lui permet de se décharger.
Un parking a une capacité, mais un condensateur a une capacité. Elle se mesure en farads (F), ou plus généralement en microfarads (μF - millionièmes de farad), en nanofarads (nF - milliardièmes de farad) ou en picofarads (pF - millions de millionièmes de farad).
Vous pouvez doubler la capacité en doublant la surface sur laquelle la charge doit se répartir. Mais on peut aussi le faire en divisant par deux l'épaisseur de la couche isolante, car cela permet à la charge d'un côté de repousser plus facilement la charge de l'autre côté. Mais une tension suffisamment importante briserait de manière destructive une couche isolante très fine. Un condensateur a donc aussi une tension nominale, c'est-à-dire la plus haute tension qu'il peut supporter en toute sécurité. Elle ne doit en aucun cas être dépassée.
Les condensateurs sont utilisés chaque fois que le concepteur du circuit a besoin de lisser les fluctuations, ou lorsqu'il est nécessaire de permettre aux fluctuations (par exemple un signal audio) de passer d'une partie du circuit à une autre tout en bloquant tout flux net.
Identification
Comme les résistances, les condensateurs n'ont que deux connexions, mais ils existent dans une large gamme de formes et de tailles. Leur capacité et leur tension nominale sont généralement imprimées et, pour certains types, une température maximale est indiquée.
Les condensateurs de faible valeur montés en surface sont généralement de couleur grise ou chamois, rectangulaires et dotés d'une plage de soudure argentée à chaque extrémité. Ils mesurent généralement quelques millimètres de long.
Les condensateurs électrolytiques sont très fréquemment utilisés lorsqu'une valeur élevée de capacité est requise. Les plus courants sont ceux en aluminium, reconnaissables à leur boîtier cylindrique en aluminium, généralement recouvert d'un film plastique. L'un des fils est marqué négatif ("-") sur le côté ou l'extrémité adjacente du boîtier.
Les condensateurs au tantale sont un type de condensateur électrolytique de qualité supérieure (et plus cher) utilisant du tantale au lieu de l'aluminium. Ils se présentent sous la forme d'une perle recouverte de résine. En général, le fil positif est marqué "+".
Les condensateurs branchés directement sur le secteur nécessitent un indice de sécurité spécial. Il s'agit de la classe X pour ceux qui sont connectés au secteur, où une défaillance pourrait présenter un risque d'incendie, et de la classe Y pour ceux qui sont connectés entre le secteur et la terre, où une défaillance pourrait entraîner un risque de choc électrique. Ces condensateurs doivent toujours être remplacés par des condensateurs de la même classe. Pour les équipements domestiques, la sous-classe X2 ou Y2 est requise. Vous pouvez en savoir plus sur les condensateurs de classe X et de classe Y dans cet article.
Les équipements plus anciens, antérieurs aux classifications X et Y, utilisent très souvent des condensateurs RIFA à encapsulation époxy, comme illustré. Ceux-ci arrivent en fin de vie et doivent être remplacés à vue par des pièces modernes de classe X ou Y.
Recherche de pannes et réparation
Les condensateurs sont généralement très fiables, à l'exception des condensateurs électrolytiques, qui sont l'une des causes les plus fréquentes de défaillance des équipements électroniques.
Dans un condensateur électrolytique, la couche isolante est constituée d'un film d'oxyde d'aluminium formé par voie électrochimique, dont l'épaisseur n'est que de quelques millionièmes de millimètre. Cette couche peut se détériorer après une longue période d'inutilisation (plusieurs années) ou une période plus courte proche ou au-delà de sa tension et/ou température nominale maximale. En outre, le liquide utilisé pour former la couche isolante peut se dessécher. Il est fréquent de voir des condensateurs électrolytiques de mauvaise qualité qui ont échoué dans les limites de leur capacité nominale.
Un condensateur électrolytique défaillant est souvent reconnaissable à l'accumulation de pression interne qui peut provoquer un renflement de la partie supérieure, ou le condensateur n'est plus au même niveau que la carte, ou encore une fuite d'électrolyte par le bas. À ce stade, il est probable qu'il ne fonctionne pas bien, ce qui entraîne un dysfonctionnement de l'équipement. S'il n'est pas remplacé, il peut même exploser. Cependant, le fait qu'un condensateur électrolytique ne présente aucun signe visible de détérioration n'est en aucun cas un indicateur fiable de son bon état. Un testeur de composants bon marché avec fonction ESR.
La méthode la plus simple et la plus fiable pour tester un condensateur électrolytique est d'utiliser un testeur ESR (Equivalent Series Resistance). Un appareil de base avec un affichage graphique mais sans boîtier est disponible à très bas prix chez les vendeurs d'Extrême-Orient. C'est un excellent investissement car il permet également d'identifier et de tester de nombreux autres types de composants. Un bon condensateur électrolytique doit présenter un ESR d'une fraction d'ohm, et une perte de tension (une autre mesure donnée par ces testeurs) d'une fraction de pour cent.
Si un condensateur électrolytique doit être remplacé, il est très important de le placer dans le bon sens (le marquage "+" ou "-" du même côté), sinon le processus de formation électrolytique sera inversé et le condensateur tombera très rapidement en panne.
De plus, il est toujours bon de le remplacer par un produit ayant une tension et/ou une température nominale plus élevée, car l'original peut avoir été sous-évalué. N'utilisez jamais un produit de remplacement de valeur nominale inférieure. Si un remplacement de même capacité n'est pas disponible, une valeur plus élevée, jusqu'à deux fois supérieure à celle de l'original, fonctionnera presque invariablement bien, voire mieux, car il existe dans tous les cas une variation considérable de la capacité des condensateurs électrolytiques de même marque.
Le site [1] donne des conseils utiles sur le remplacement des condensateurs électrolytiques.
Inducteurs
Un inducteur consiste simplement en une bobine de fil. Lorsqu'un courant circule, il crée un champ magnétique, qui stocke de l'énergie. En l'enroulant autour d'un noyau de matériau magnétique tel que le fer ou la ferrite, ce dernier est magnétisé, ce qui augmente considérablement la quantité d'énergie stockée.
Alors qu'un condensateur stocke l'énergie sous forme de charge électrique et peut être utilisé pour lisser les variations de tension, une inductance stocke l'énergie sous forme de flux magnétique et tend à lisser les variations du flux de courant. Dans une telle application, on l'appelle souvent une bobine d'arrêt, car elle étouffe les variations du flux.
En fait, il existe une belle symétrie entre les équations mathématiques décrivant les condensateurs et les inducteurs. Si vous combinez une inductance et un condensateur dans un circuit, cette symétrie s'épanouit et quelque chose d'assez spécial se produit. Une tension sur le condensateur essaie de faire passer un courant dans l'inducteur, mais une fois que le courant est passé, l'inducteur essaie de le maintenir et finit par faire passer la charge de l'autre côté du condensateur. Le courant circule donc d'avant en arrière à un rythme très régulier, exactement comme un enfant qui se balance d'avant en arrière sur une balançoire. En utilisant un condensateur variable (ou une inductance variable), la vitesse peut être modifiée. C'est ainsi que presque toutes les anciennes radios AM et FM syntonisent la station que vous souhaitez.
L'inductance est mesurée en henrys (H), milliHenrys (mH - millièmes de Henry) ou microHenrys (μH - millionièmes de Henry).
Identification
Les inductances les plus petites ne sont rien d'autre qu'une bobine de fil épais dépassant du circuit imprimé. Certaines petites inductances consistent en un tore de ferrite autour duquel est enroulée la bobine de fil, et sont facilement repérables. Dans d'autres cas, la bobine est enroulée autour d'un noyau de ferrite en forme de bobine de coton, qui peut être inséré dans un cylindre creux de ferrite. Une bobine de mode commun a deux enroulements, parfois utilisée pour filtrer à la fois la phase et le neutre d'une alimentation électrique. Elle n'est donc pas fondamentalement différente d'un transformateur.
Pour les grandes valeurs d'inductance, un noyau de fer laminé est utilisé. On le voit rarement dans les équipements modernes, mais les radios à lampes anciennes utilisaient souvent deux grands condensateurs et une inductance à noyau de fer pour lisser le réseau redressé.
Une inductance est souvent dépourvue de marquage.
Recherche de pannes et réparation
Il n'y a pas grand-chose à redire sur une inductance, à part peut-être un joint mal soudé. Un courant très fort peut provoquer la surchauffe ou la combustion d'une inductance, mais probablement pas avant d'avoir causé des dommages importants ailleurs dans le circuit.
Transformateurs
Un transformateur est simplement un inducteur avec deux (ou plus) bobines de fil.
An electric current always creates a magnetic field which loops around the current, and a change in the magnetism looping through a circuit generates a voltage in that circuit. So in a transformer, we apply power to one coil of wire, the primary, and the magnetic flux which this creates induces a voltage in the other coil(s), the secondary(s). But it only works while the magnetic field is changing, and so a transformer can only be used for AC, not DC.
Transformers are very useful for two reasons:
- If the secondary coil has more or fewer turns than the primary, the voltage induced in it will be greater or less than that applied to the primary, in proportion.
- Since the only connection between the primary and the secondary is magnetic, they are electrically isolated from each other. This can be useful for safety reasons, or where the circuit designer needs to block a net flow of current from one part to another.
Identification
If you know how to identify an inductor, then a transformer looks exactly the same except that it has at least 3 wires coming out of it, and nearly always 4 or more.
Older mains powered electronic equipment almost always contains an iron cored mains transformer, which is easy to spot. Good quality audio equipment sometimes uses a toroidal mains transformer as this type produces less stray magnetic field and hence less background hum in the audio output. Newer equipment tends to use a much smaller transformer with a ferrite core.
Fault-finding and Repair
Mains transformers may be required to handle a substantial amount of power, and so in fault conditions they can become very hot. If this results in a breakdown of the insulation between two adjacent turns of either the primary or the secondary, these turns will act like a short-circuited secondary and become very hot indeed.
Rewinding a burnt out mains transformer is not difficult, but rarely would be worth the considerable time and patience required.
Crystals and Ceramic Resonators
A quartz crystal is commonly used where the designer needs to generate a fixed frequency oscillation. Quartz is a piezoelectric material, which means that a voltage apears across opposite faces if you stress it, and conversly, applying a voltage causes a similar stress. A piece of quartz can be cut and polished so as to resonate (or ring like a bell) at a very precise chosen frequency. Placed in an electronic circuit which amplifies and sustains the resonance, you have a simple and very stable frequency source. The photo shows a crystal that has been removed from its protective can.
Apart from quartz clocks, digital equipment very commonly contains a crystal to provide the oscillation which steps it through its processing steps. In a digitally tuned radio a crystal oscillator generates a reference frequency from which the desired frequency is generated digitally in order to tune the chosen station. Some vintage FM radios contained three crystals in a glass envelope similar to a valve. This allowed three stations to be tuned by selecting one of the three crystals.
Ceramic resonators operate in the same way but are cheaper and less precise in their frequency. These generally use lead zirconium titanate instead of quartz and may be used instead of a crystal in digital equipment where the frequency is not also being used for precise timing. A ceramic resonator may also be used in the IF stages of a radio to select the required frequency. These resonators have 3 leads, one attached to each end of one face of the resonator, and the third attached to the opposite face. The signal is applied to the first and third, causing it to resonate along its whole length. The signal is reproduced between the second and third leads, with any other off-tune frequencies greatly reduced.
Identification
Quartz crystals are usually easy to spot as they come in a silvery metal can. In the case of quartz clocks they are usually cylindrical and quite small. Often, you will see two small capacitors adjacent to a crystal, which are required to allow it to vibrate freely. Occasionally, one of these might be a variable capacitor allowing a fine tuning of its resonant frequency, already accurate to around 10 parts per million.
A ceramic resonator looks very smilar to a small capacitor, except that it may have 3 or even 4 leads.
Fault-finding and Repair
Quartz crystals are usually reliable but failures are not unknown. Since the crystal itself is suspended only by its leads to allow it to vibrate freely it can be damaged by shock or vibration, perhaps combined with a weak joint resulting from a manufacturing defect.
There is no simple way of testing a quartz crystal apart from by substitution. A multimeter applied to its leads will show it as an open circuit since quartz is a very good insulator.
And now ...
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