La beauté intérieure de l'électronique de base

Jul 21, 2023

Open Circuits présente la surprenante complexité des composants passifs

Eric Schlaepfer essayait pour réparer une pièce d'équipement de test cassée lorsqu'il a rencontré la cause du problème - un condensateur au tantale en difficulté. Le composant avait en quelque sorte court-circuité, et il voulait savoir pourquoi. Il l'a donc poli pour jeter un coup d'œil à l'intérieur. Il n'a jamais trouvé la source du court métrage, mais lui et son collaborateur, Windell H. Oskay, ont découvert quelque chose d'encore mieux : un monde caché à couper le souffle à l'intérieur de l'électronique. Ce qui a suivi, ce sont des heures et des heures de polissage, de nettoyage et de photographie qui ont abouti à Open Circuits: The Inner Beauty of Electronic Components (No Starch Press, 2022), dont un extrait suit. Comme l'écrivent les auteurs, tout ce qui concerne ces composants est délibérément conçu pour répondre à des besoins techniques spécifiques, mais cette conception conduit à "une beauté accidentelle : l'esthétique émergente de choses que l'on ne s'attendait pas à voir".

D'après un livre qui couvre le vaste monde de l'électronique, ce que nous, chez IEEE Spectrum, avons trouvé étonnamment convaincant, c'est l'intérieur de choses auxquelles nous ne passons pas beaucoup de temps à penser, les composants passifs. Les transistors, les LED et d'autres semi-conducteurs peuvent être là où se trouve l'action, mais la physique simple des résistances, des condensateurs et des inductances a sa propre sorte de splendeur.

Toutes les photos par Eric Schlaepfer & Windell H. Oskay

Cette résistance à film à haute stabilité, d'environ 4 millimètres de diamètre, est fabriquée à peu près de la même manière que son cousin à film de carbone peu coûteux, mais avec une précision extrême. Une tige en céramique est recouverte d'une fine couche de film résistif (métal mince, oxyde métallique ou carbone), puis une rainure hélicoïdale parfaitement uniforme est usinée dans le film.

Au lieu de recouvrir la résistance d'époxy, elle est hermétiquement scellée dans une petite enveloppe de verre brillante. Cela rend la résistance plus robuste, idéale pour les cas spécialisés tels que l'instrumentation de référence de précision, où la stabilité à long terme de la résistance est essentielle. L'enveloppe de verre offre une meilleure isolation contre l'humidité et d'autres changements environnementaux que les revêtements standard comme l'époxy.

Il faut 15 rotations d'une vis de réglage pour déplacer un potentiomètre ajustable 15 tours d'un bout à l'autre de sa plage résistive. Les circuits qui doivent être ajustés avec un contrôle de résolution fine utilisent ce type de potentiomètre au lieu de la variété à un tour.

L'élément résistif de cette tondeuse est une bande de cermet - un composite de céramique et de métal - sérigraphiée sur un substrat en céramique blanche. Le métal sérigraphié relie chaque extrémité de la bande aux fils de connexion. Il s'agit d'une version aplatie et linéaire de l'élément résistif en forme de fer à cheval des potentiomètres monotour.

Tourner la vis de réglage déplace un curseur en plastique le long d'une piste. L'essuie-glace est un doigt à ressort, un contact métallique à ressort, fixé au curseur. Il établit le contact entre une bande métallique et le point sélectionné sur la bande de film résistif.

Les condensateurs sont des composants électroniques fondamentaux qui stockent l'énergie sous forme d'électricité statique. Ils sont utilisés d'innombrables façons, notamment pour le stockage d'énergie en vrac, pour lisser les signaux électroniques et comme cellules de mémoire d'ordinateur. Le condensateur le plus simple se compose de deux plaques métalliques parallèles avec un espace entre elles, mais les condensateurs peuvent prendre de nombreuses formes tant qu'il y a deux surfaces conductrices, appelées électrodes, séparées par un isolant.

Un condensateur à disque céramique est un condensateur à faible coût que l'on trouve fréquemment dans les appareils électroménagers et les jouets. Son isolant est un disque en céramique et ses deux plaques parallèles sont des revêtements métalliques extrêmement fins qui sont évaporés ou pulvérisés sur les surfaces extérieures du disque. Les fils de connexion sont fixés à l'aide de soudure et l'ensemble est plongé dans un matériau de revêtement poreux qui sèche dur et protège le condensateur des dommages.

Les condensateurs à film se trouvent fréquemment dans les équipements audio de haute qualité, tels que les amplificateurs de casque, les tourne-disques, les égaliseurs graphiques et les tuners radio. Leur principale caractéristique est que le matériau diélectrique est un film plastique, tel que du polyester ou du polypropylène.

Les électrodes métalliques de ce condensateur à film sont déposées sous vide sur les surfaces de longues bandes de film plastique. Une fois les fils attachés, les films sont enroulés et plongés dans un époxy qui lie l'ensemble. Ensuite, l'ensemble terminé est plongé dans un revêtement extérieur résistant et marqué de sa valeur.

D'autres types de condensateurs à film sont fabriqués en empilant des couches plates de film plastique métallisé, plutôt qu'en enroulant des couches de film.

Au cœur de ce condensateur se trouve une pastille poreuse de tantale métallique. La pastille est fabriquée à partir de poudre de tantale et frittée, ou comprimée à haute température, en un solide dense et spongieux.

Tout comme une éponge de cuisine, la pastille résultante a une grande surface par unité de volume. La pastille est ensuite anodisée, créant une couche d'oxyde isolante avec une surface également élevée. Ce processus emballe beaucoup de capacité dans un appareil compact, en utilisant une géométrie semblable à une éponge plutôt que les couches empilées ou enroulées que la plupart des autres condensateurs utilisent.

La borne positive de l'appareil, ou anode, est connectée directement au tantale métallique. La borne négative, ou cathode, est formée par une fine couche de dioxyde de manganèse conducteur enrobant la pastille.

Les inducteurs sont des composants électroniques fondamentaux qui stockent l'énergie sous la forme d'un champ magnétique. Ils sont utilisés, par exemple, dans certains types d'alimentations pour convertir entre les tensions en stockant et en libérant alternativement de l'énergie. Cette conception économe en énergie aide à maximiser la durée de vie de la batterie des téléphones portables et autres appareils électroniques portables.

Les inducteurs consistent généralement en une bobine de fil isolé enroulée autour d'un noyau de matériau magnétique comme le fer ou la ferrite, une céramique remplie d'oxyde de fer. Le courant circulant autour du noyau produit un champ magnétique qui agit comme une sorte de volant d'inertie pour le courant, lissant les changements de courant lorsqu'il traverse l'inducteur.

Cet inducteur axial a un certain nombre de tours de fil de cuivre verni enroulé autour d'une forme de ferrite et soudé à des fils de cuivre à ses deux extrémités. Il comporte plusieurs couches de protection : un vernis transparent sur les enroulements, un revêtement vert clair autour des joints de soudure et un revêtement extérieur vert frappant pour protéger l'ensemble du composant et fournir une surface pour les rayures colorées qui indiquent sa valeur d'inductance.

Ce transformateur a plusieurs jeux d'enroulements et est utilisé dans une alimentation pour créer plusieurs tensions de sortie CA à partir d'une seule entrée CA telle qu'une prise murale.

Les petits fils plus près du centre sont des spires "à haute impédance" de fil magnétique. Ces enroulements transportent une tension plus élevée mais un courant plus faible. Ils sont protégés par plusieurs couches de ruban adhésif, un écran électrostatique en feuille de cuivre et plus de ruban adhésif.

Les enroulements extérieurs à "faible impédance" sont constitués d'un fil isolé plus épais et de moins de spires. Ils gèrent une tension plus faible mais un courant plus élevé.

Tous les enroulements sont enroulés autour d'une bobine en plastique noir. Deux morceaux de céramique de ferrite sont collés ensemble pour former le noyau magnétique au cœur du transformateur.

Cet article apparaît dans le numéro imprimé de février 2023.