le tube électronique

Structure générale

Les tubes électroniques désignent les composants qui utilisent des électrodes, placées dans le vide ou dans un gaz rare¹, isolées entre elles par ce milieu, et comprenant au moins une source d’électrons. Une enveloppe résistante à la température isole l’ensemble de l’extérieur. Bien que l’enveloppe soit généralement en verre, les tubes de puissance utilisent souvent la céramique et le métal. Les électrodes sont reliées aux terminaisons qui passent au travers de l’enveloppe par des passages étanches. Sur la plupart des tubes, les terminaisons sont des broches prévues pour être installées dans un support de tube électronique pour un remplacement facile².

Effet thermoïonique

Les tubes à vide utilisent l’effet thermoïonique pour créer des électrons libres puis les diriger et les moduler. À l’origine, le tube à vide ressemble à une lampe à incandescence, car il possède un filament chauffant à l’intérieur d’une enveloppe de verre vidée d’air³. Quand il est chaud, le filament relâche des électrons dans le vide : ce processus est appelé émission thermoïonique. Il en résulte un nuage d’électrons, dont la charge est négative, appelé « charge d’espace ». Les tubes à chauffage direct ne sont plus utilisés sauf en tube de forte puissance, remplacé par le chauffage indirect. Dans un tube à chauffage indirect, le filament chauffe une électrode qui émet les électrons, la cathode².

le transistor

Le transistor est un composant électronique à semi-conducteur permettant de contrôler ou d’amplifier des tensions et des courants électriques. C’est le composant actif le plus important des circuits électroniques aussi bien en basse qu’en haute tension : circuits logiques(il permet, assemblé avec d’autres, d’effectuer des opérations logiques pour des programmes informatiques), amplificateur, stabilisateur de tension, modulation de signal, etc. Les transistors revêtent une importance particulière — le plus souvent en tant qu’interrupteurs marche/arrêt — dans les circuits intégrés, ce qui rend possible la microélectronique.

Description schématique

Les trois connexions sont appelées :

transistors  bipolaires	symbole	transistors  à effet de champ	symbole
le collecteur	C	le drain	D
la base	B	la grille	G
l’émetteur	E	la source	S

Dans les deux types de transistors bipolaires (NPN et PNP), l’électrode traversée par l’ensemble du courant s’appelle émetteur. Le courant dans l’émetteur est égal à la somme des courants du collecteur et de la base.

La flèche identifie l’émetteur et suit le sens du courant ; elle pointe vers l’extérieur dans le cas d’un NPN, vers l’intérieur dans le cas d’un PNP. L’électrode reliée au milieu de la barre centrale figure la base et la troisième électrode figure le collecteur.

Dans le cas de l’effet de champ, la flèche disparaît, car le dispositif est symétrique (drain et source sont interchangeables). Les traits obliques sont habituellement remplacés par des traits droits.

Pour le transistor MOS, la grille se détache des autres électrodes, pour indiquer l’isolation due à la présence de l’oxyde.

En réalité, il existe une quatrième connexion pour les transistors à effet de champ, le substrat (parfois appelé bulk), qui est habituellement relié à la source, c’est à dire la connexion entre S et ses chemins vers D sur le schéma.

le circuit intégré

Le circuit intégré (CI), aussi appelé puce électronique, est un composant électronique, basé sur un semi-conducteur, reproduisant une ou plusieurs fonctions électroniques plus ou moins complexes, intégrant souvent plusieurs types de composants électroniques de base dans un volume réduit (sur une petite plaque), rendant le circuit facile à mettre en œuvre¹.

Il existe une très grande variété de ces composants divisés en deux grandes catégories : analogique et numériques

En 1958, l’Américain Jack Kilby invente le premier circuit intégré[1], jetant ainsi les bases du matériel informatiquemoderne. Jack Kilby, qui venait de rejoindre la compagnie, a fait cette découverte alors que ses collègues profitaient de vacances organisées par Texas Instruments. À l’époque, Kilby avait tout simplement relié entre eux différents transistorsen les câblant à la main. Il ne faudra par la suite que quelques mois pour passer du stade de prototype à la production de masse de puces en silicium contenant plusieurs transistors. Ces ensembles de transistors interconnectés en circuits microscopiques dans un même bloc, permettaient la réalisation de mémoires, ainsi que d’unités logiques et arithmétiques. Ce concept révolutionnaire concentrait dans un volume incroyablement réduit, un maximum de fonctions logiques, auxquelles l’extérieur accédait à travers des connexions réparties à la périphérie du circuit[2]. Le brevet est finalement accordé à Texas Instrument en 1964[3]. Cette découverte a valu à Kilby le prix Nobel de physique en 2000, alors que ce dernier siégeait toujours au directoire de Texas Instruments et détenait plus de soixante brevets à son nom[4].6

le condensateur

Un condensateur est un composant électronique élémentaire, constitué de deux armatures conductrices (appelées « électrodes ») en influence totale et séparées par un isolant polarisable (ou « diélectrique »). Sa propriété principale est de pouvoir stocker des charges électriques opposées sur ses armatures. La valeur absolue de ces charges est proportionnelle à la valeur absolue de la tension qui lui est appliquée.

Les condensateurs sont principalement utilisés pour :

• stabiliser une alimentation électrique (il se décharge lors des chutes de tension et se charge lors des pics de tension) ;
• traiter des signaux périodiques (filtrage par exemple) ;
• séparer le courant alternatif du courant continu, ce dernier étant bloqué par le condensateur ;
• stocker de l’énergie, auquel cas on parle de supercondensateur

Un condensateur est un composant électronique élémentaire, constitué de deux armatures conductrices (également appelées « électrodes ») en influence totale et séparées par un isolant polarisable (ou « diélectrique »). Sa propriété principale est de pouvoir stocker des charges électriques opposées sur ses armatures. La valeur absolue de ces charges est, en première approximation, proportionnelle à la valeur absolue de la tension qui lui est appliquée.

En octobre 1745, le physicien Ewald Georg von Kleist de Poméranie en Allemagne, invente le premier condensateur. Peu de temps après en janvier 1746, le physicien hollandais Pieter van Musschenbroek le découvre aussi de façon indépendante. Il l’appelle bouteille de Leyde car Musschenbroek travaillait alors à l’université de Leyde.

• Un condensateur est constitué fondamentalement de deux armatures conductrices appelées « électrodes », très proches l’une de l’autre, séparées par un isolant appelé « diélectrique ».

La charge électrique emmagasinée par le condensateur est proportionnelle à la tension appliquée entre ses deux armatures. Aussi, un tel composant est-il principalement caractérisé par sa capacité, rapport entre sa charge et la tension.

La capacité  d’un condensateur se détermine essentiellement en fonction de la géométrie des armatures et de la nature du ou des isolants ; la formule simplifiée suivante, davantage adaptée à un condensateur plan, est souvent utilisée pour estimer sa valeur :

différentes catégories

De nombreuses techniques, souvent issues de la chimie, ont permis d’améliorer sensiblement les performances des condensateurs, que l’on relie à la qualité du diélectrique employé. C’est donc la nature du diélectrique qui permet de classer les condensateurs :

• les condensateurs non polarisés, de faible valeur (quelques nano– ou microfarads) sont essentiellement de technologie « Mylar » ou « céramique » ;
• les condensateurs dits polarisés sont sensibles à la polarité de la tension électrique qui leur est appliquée : ils ont une borne négative et une positive. Ce sont les condensateurs de technique « électrolytique » (également appelée, par abus de langage, « chimique ») et « tantale ». Une erreur de branchement ou une inversion accidentelle de la tension conduit généralement à leur destruction, qui peut être très brutale, voire explosive ;
• les supercondensateurs ont une énorme capacité mais une faible tenue en tension (quelques volts). Ils ont été développés à la suite des recherches effectuées pour améliorer les accumulateurs. La capacité qui peut dépasser la centaine de farads est obtenue grâce à l’immense surface développée d’électrodes sur support de charbon actif ;
• les condensateurs à capacité variable, employés par exemple pour la réalisation des filtres RLC réglables.Principe du condensateur ajustable

Quand les plaques sont rapprochées, la capacité augmente rapidement, de même que le gradient de tension (c’est-à-dire le champ électrostatique). Par exemple, le champ dans un condensateur soumis à seulement 5 volts et dont les plaques sont distantes de 5 micromètres est de 1 million de volts par mètre. L’isolant joue donc un rôle capital. L’isolant idéal aurait une résistance infinie et une transparence totale au champ, n’aurait aucun point d’éclair (gradient de champ où apparaît un arc), n’aurait aucune inductance (qui limite la réaction aux hautes fréquences : un condensateur idéal laisserait passer la lumière par exemple), etc.Un isolant doit donc être choisi selon le but recherché, c’est-à-dire l’usage voulant être fait du condensateur.

la résistance

En électricité, on appelle résistance, selon le contexte :

• l’aptitude d’un matériau conducteur à s’opposer au passage d’un courant électrique sous une tension électrique donnée ;
• une propriété caractéristique de certains dipôles électriques, qui quantifie l’aptitude ci-dessus ;
  • la valeur de cette propriété pour tel ou tel de ces dipôles ;
• par métonymie, un composant électrique figurant parmi les dipôles électriques, conçu pour approcher de manière satisfaisante la loi d’Ohm dans une large plage d’utilisation et caractérisé par la propriété ci-dessus ;
• un modèle mathématique pour les éléments réels, qui respecte idéalement la loi d’Ohm.

fonctionnement de la couleur SECAM Partie1

Partie 2

partie3

partie 4

La television numerique

En 1968, Bernard Lechner de RCA a créé l’idée d’un écran LCD à base de TFT, et la même année, lui et plusieurs autres ont concrétisé cette idée en utilisant l’écran LCD DSM de Heilmeier.

La technologie numérique apparaît grâce aux évolutions des procédés d’informatique dans la prise de vue photographique, les caméras vidéo, l’industrie cinématographique, les jeux vidéo, l’univers de la production des émissions et de la vidéo dès la fin des années 1980, favorisées notamment par le développement des normes numériques MPEG. Lors d’une première phase, le support d’enregistrement magnétique sur cassette permet de sauvegarder la vidéo numérique. En 1995, le consortium international Grand Alliance associe les principaux industriels du secteur pour définir les formats, normes et standards vidéo de la télévision numérique. Les premières télédiffusions numériques sont rélisées par satellite à la même période et débouchent en Amérique du Nord, en Europe et en Asie sur les premiers bouquets numériques payants de télévision parmi lesquels on note DirecTV aux États-Unis, Sky Digital au Royaume-Uni, Canalsatellite en France ou encore Telepiù Satellite en Italie. Après que ces offres soient reprises sur les réseaux câblés quelques mois plus tard, la télévision numérique terrestre est progressivement introduite à partir de 1998 au Royaume-Uni, 1999 en Suède et 2000 en Espagne, en 2002 en Allemagne, en 2003 au Canada et au Japon puis à partir de 2005 en France, en 2008 en Italie et entre 2005 et 2012 pour les principaux pays industrialisés. Toutefois, la télédiffusion analogique est maintenue simultanément jusqu’au milieu des années 2010, le passage au tout numérique étant le plus souvent réalisé par zones géographiques.

Même si la haute définition est exploitée en télévision analogique depuis 1949, notamment en France avec la norme 819 lignes noir et blanc puis en Europe en 1986 avec la norme HD Mac principalement exploitée par satellite ou encore au Japon avec la norme « MUSE » (Multiple sub-Nyquist sampling encoding) à la même période, la télévision numérique va permettre dès 1991, de développer la Haute définition avant que le format MPEG permette une télédiffusion à la norme ATSC (Advanced Television Systems Committee) à partir de 1994 aux États-Unis et à la même période, la norme DVB (Digital Video Broadcasting) en Europe, principalement par satellite. La télévision numérique terrestre évolue progressivement vers la Haute Définition à partir de 2005. La Télévision à ultra-haute définition ou « UHD » est progressivement étendue durant la décennie 2020 en fonction des pays mais cette évolution nécessite à la fois que les téléviseurs soient adaptés ou compatibles et que les équipements numériques de production et de diffusion des chaînes de télévision soient également remplacés ou mis à jour, entraînant un investissement considérable.

suite de la tele numerique

n écran LCD comprend une fine couche de cristal liquide prise en sandwich entre deux électrodes sur des substrats de verre, avec deux polariseurs de chaque côté. Un polariseur est un filtre optique qui laisse passer les ondes lumineuses d’une polarisation spécifique tout en bloquant les ondes lumineuses d’autres polarisations. Les électrodes doivent être transparentes, le matériau le plus populaire est donc l’ITO (Indium Tin Oxide).

Comme l’écran LCD ne peut pas émettre de lumière lui-même, un rétroéclairage est normalement placé derrière un écran LCD afin d’être vu dans l’environnement sombre. Les sources lumineuses pour le rétroéclairage peuvent être des LED (Light Emitting Diode) ou des CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamps). Le rétroéclairage LED est le plus populaire. Bien sûr, si vous souhaitez avoir un écran couleur, une couche de filtre de couleur peut être transformée en une cellule LCD. Le filtre de couleur se compose de couleur RVB. Vous pouvez également ajouter un écran tactile devant un écran LCD.

Fig. 1 Structure de l’écran LCD

Comment fonctionnent les écrans LCD ?

La première technologie d’écran LCD en production de masse s’appelle TN (Twisted Nematic). Le principe derrière les écrans LCD est que lorsqu’un champ électrique n’est pas appliqué aux molécules de cristaux liquides, les molécules se tordent de 90 degrés dans la cellule LCD. Lorsque la lumière provenant de la lumière ambiante ou du rétroéclairage traverse le premier polariseur, la lumière est polarisée et tordue avec la couche moléculaire de cristal liquide. Lorsqu’il atteint le deuxième polariseur, il est bloqué. Le spectateur voit que l’écran est noir.

Lorsqu’un champ électrique est appliqué aux molécules de cristaux liquides, elles ne sont pas torsadées.  Lorsque la lumière polarisée atteint la couche de molécules de cristaux liquides, la lumière la traverse sans être tordue. Lorsqu’il atteint le deuxième polariseur, il le traverse également, le spectateur voit que l’écran est lumineux.

Parce que la technologie LCD utilise des champs électriques au lieu du courant électrique (l’électron passe à travers), elle a une faible consommation d’énergie.

Un court vidéo Youtube expliquera comment les écrans LCD de manière concise et efficace.

Les bases des écrans LCD

L’écran LCD le plus basique présenté ci-dessus est appelé écran LCD à matrice passive qui peut être trouvé principalement dans des applications bas de gamme ou simples comme les calculatrices, les compteurs de services publics, les premières montres numériques, les réveils, etc.  Les écrans LCD à matrice passive ont de nombreuses limitations, comme l’angle de vision étroit, la vitesse de réponse lente, la faible luminosité, mais ils sont excellents pour la consommation d’énergie.

Afin d’améliorer les inconvénients, les scientifiques et les ingénieurs ont développé la technologie LCD à matrice active. La technologie LCD TFT (Thin Film Transistor) est la plus utilisée. Sur la base du TFT LCD, des technologies LCD encore plus modernes sont développées. Le plus connu est le LCD IPS (In Plane Switching).  Il a un angle de vision super large, une qualité d’image supérieure, une réponse rapide, un excellent contraste, moins de défauts de gravure, etc.

Les écrans LCD IPS sont largement utilisés dans les moniteurs LCD, les téléviseurs LCD, les Iphone, les pads, etc. Samsung a même révolutionné le rétroéclairage LED en QLED (point quantique) pour éteindre les LED partout où la lumière n’est pas nécessaire pour produire des noirs plus profonds.

Différents types d’écrans LCD

• • – Affichage nématique torsadé :  Le site de LCD TN (Twisted Nematic) la production peut être effectuée le plus souvent et utilisé différents types d’écrans dans toutes les industries. Ces écrans sont le plus souvent utilisés par les joueurs car ils sont bon marché et ont un temps de réponse rapide par rapport aux autres écrans. Le principal inconvénient de ces écrans est qu’ils ont une qualité médiocre ainsi que des rapports de contraste partiels, des angles de vision et une reproduction des couleurs. Mais, ces appareils sont suffisants pour les opérations quotidiennes.

• • – Affichage de commutation dans le plan :  Écrans IPS sont considérés comme les meilleurs écrans LCD car ils offrent une bonne qualité d’image, des angles de vision plus élevés, une précision et une différence de couleurs éclatantes. Ces écrans sont principalement utilisés par les graphistes et dans certaines autres applications, les écrans LCD ont besoin des normes potentielles maximales pour la reproduction de l’image et de la couleur.

• • – Panneau d’alignement vertical : Le alignement vertical (VA) les panneaux tombent n’importe où au centre entre la technologie Twisted Nematic et les panneaux de commutation dans le plan. Ces panneaux ont les meilleurs angles de vision ainsi qu’une reproduction des couleurs avec des caractéristiques de meilleure qualité par rapport aux écrans de type TN. Ces panneaux ont un temps de réponse faible. Mais, ceux-ci sont beaucoup plus raisonnables et appropriés pour un usage quotidien.

• • – La structure de ce panneau génère des noirs plus profonds ainsi que de meilleures couleurs par rapport à l’affichage nématique torsadé. Et plusieurs alignements de cristaux peuvent permettre de meilleurs angles de vision par rapport aux écrans de type TN. Ces écrans arrivent avec un compromis car ils sont chers par rapport aux autres écrans. Et ils ont également des temps de réponse lents et des taux de rafraîchissement faibles.

• • – Commutation avancée de champ de frange (AFFS) :  Les écrans LCD AFFS offrent les meilleures performances et une large gamme de reproduction des couleurs par rapport aux écrans IPS. Les applications de l’AFFS sont très avancées car elles peuvent réduire la distorsion des couleurs sans compromettre le large angle de vision. Habituellement, cet écran est utilisé dans des environnements très avancés et professionnels, comme dans les cockpits d’avion viables.

• • – Affichages matriciels passifs et actifs : Les écrans LCD de type matrice passive fonctionnent avec une simple grille afin que la charge puisse être fournie à un pixel spécifique sur l’écran LCD. Une couche de verre donne des colonnes tandis que l’autre donne des rangées conçues en utilisant un matériau conducteur transparent comme l’oxyde d’indium-étain. Le système à matrice passive présente des inconvénients majeurs, en particulier le temps de réponse est un contrôle de tension lent et imprécis. Le temps de réponse de l’écran se réfère principalement à la capacité de l’écran à rafraîchir l’image affichée.

• – Les écrans LCD de type matrice active dépendent principalement des TFT (transistors à couche mince). Ces transistors sont de petits transistors de commutation ainsi que des condensateurs qui sont placés dans une matrice sur un substrat de verre. Lorsque la ligne appropriée est activée, une charge peut être transmise dans la colonne exacte afin qu’un pixel spécifique puisse être adressé, car toutes les lignes supplémentaires que la colonne croise sont désactivées, le condensateur situé à côté du pixel désigné reçoit une charge. .

composant et schématique