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Les composants passifs : résistances, potentiomètres et commutateurs

L’électronique pour le musicien
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Les mots "résistance", "condensateur" et "commutateur" vous intriguent ? Un "transistor", pour vous, c’est un vieux poste de radio ? Il est temps de défricher le vocabulaire de base de l’électronique.

En guise de préambule, précisons qu’il s’agit là du premier article d’une nouvelle série sur l'électronique, lequel a déjà été publié mais fait l'objet ici d'une révision d'après les commentaires de la communauté.

Comprendre les composants, connaître ses outils, acquérir quelques bases de lecture de schéma… Nous aborderons tout ce qui vous permettra de vous lancer dans la modification ou la fabrication de circuits simples.

Passifs mais indispensables

Ce sont les composants les plus nombreux dans le circuit d’une pédale ou d’un amplificateur. On les appelle « passifs » car ils ne permettent pas d’augmenter la puissance d’un signal électrique (à l’inverse d’un tube ou d’un transistor). Ils n’ont également pas nécessairement besoin d’un courant d’alimentation pour remplir leur fonction.

Un des exemples concrets les plus simples pour se donner une idée de ce qu’est un fonctionnement passif, c’est un filtre dans une enceinte. Il a pour but de filtrer un signal sonore dynamique complexe, et de le séparer en trois voies distinctes (si c’est une enceinte trois voies) : les graves, les médiums et les aigus. Ce filtrage est obtenu grâce à un circuit constitué de résistances, de condensateurs et d’inductances, trois types de composants passifs. Ce filtre n’amplifie pas le signal sonore (au contraire, il filtre chaque voies en soustrayant des fréquences) et il peut fonctionner sans alimentation (votre enceinte n’est pas branchée sur le réseau électrique… sinon ça serait une enceinte active).

Art1 PHOTO 1

Un filtre deux voies, avec une résistance, un condensateur, deux selfs.

La fonction de base de chaque composant passif peut généralement être définie de façon simple et unique : une résistance résiste au courant, un interrupteur l’interrompt, etc. En revanche, dans leur utilisation au sein d’un circuit, avec d’autres composants, on peut tirer différents usages des composants passifs. Ce sont donc des éléments extrêmement importants pour tout débutant en électronique. Commençons par voir ce qu'il en est des résistances.

Les résistances

Une résistance a pour fonction de s’opposer, plus ou moins fortement, au passage du courant électrique. En s’opposant au courant qui la traverse, elle génère une tension à ses bornes. Pour débuter, nous passerons outre la compréhension de ces termes, mais nous y reviendrons très prochainement. Sachez seulement que ces trois notions (courant – ou plutôt intensité – tension et résistance) sont liées entre elles par une équation : la loi d’Ohm. Cette loi fera aussi l’objet d’un article à part, car elle est un fondement indispensable de la compréhension des circuits électriques.

La valeur d’une résistance (c’est-à-dire à quel point elle s’oppose au courant) se note en « ohms » (symbolisé Ω). Comme les résistances existent sur une très grande plage de valeur, on utilise parfois le préfixe kilo- (à partir de 1000 ohms) ou méga- (à partir de 1 000 000).

Il en existe de formes très différentes, selon leurs matériaux et leur puissance maximale admissible. Voici quelques exemples :

Art1 PHOTO 2

De gauche à droite : un résistance composition carbone, une résistance couche carbone, une résistance couche métal, une résistance couche métal de précision, une résistance bobinée et une résistance cimentée.

Comment identifier les résistances ?

Lorsque leur valeur en Ω n’est pas notée directement, elle est symbolisée par une série de bandes colorées, selon un code commun à tous les fabricants. Le code est le suivant :

Noir – 0
Marron – 1
Rouge – 2
Orange – 3
Jaune – 4
Vert – 5
Bleu – 6
Violet – 7
Gris – 8
Blanc - 9

Le nombre de bandes peut varier : 4, 5 ou 6 bandes. Les trois premières bandes (seulement les deux premières sur les résistances 4 bandes) sont les chiffres de bases de la valeur, la bande suivante est le facteur de multiplication. Pour se rappeler comment fonctionne le multiplicateur : il vous suffit d’ajouter le nombre de zéros indiqué par le code couleur (rouge = 2 zéros, orange = 3 zéros…). Sur l’exemple suivant :

Art1 PHOTO 3

On voit de gauche à droite les bandes orange (3),  orange (3) et rouge (x 100) = 3300 Ω que l’on notera 3,3 KΩ.

Sur la résistance 5 bandes suivantes :

Art1 PHOTO 4

Rouge (2), noir, (0), noir (0), rouge (x100) = 20 000 Ω, noté 20 KΩ

Dans ces deux exemples, la dernière bande indique la tolérance, c’est-à-dire le pourcentage de déviation potentiel autour de cette valeur. Nous ne nous étendrons pas sur le code des pourcentages de tolérance à ce point-ci de notre explication. Sachez seulement que, selon la précision nécessaire à une application, elle peut s’étendre de 30% à 0,005%.

La plupart du temps, en audio, on sera entre 20% et 1%. Sur des signaux stéréo faibles (préampli, correction RIAA) on utilisera en priorité des résistances à faible tolérance (moins de 5%) pour bien mieux contrôler la symétrie des deux voies, et conserver l’équilibre gauche-droite.

Pour finir, pour la reconnaître dans un schéma, c’est simple : elle est représentée comme ceci :

Art1 PHOTO 5

Voyons à présent ce qu'il en est des potentiomètres.

Les potentiomètres

On présente souvent les condensateurs après les résistances, mais je trouve intéressant de continuer plutôt avec le potentiomètre. Pourquoi ? Parce qu’un potentiomètre peut être comparé à un réseau de résistances dont les valeurs seraient variables. Les musiciens connaissent surtout le « potard » vu de l’extérieur, surmonté d’un bouton, mais une fois sortie de l’appareil, il ressemble à cela :

Art1 PHOTO 6

De gauche à droite : potentiomètre rotatif mono, rotatif stéréo, rectiligne et « trimmer », aussi appelé « résistance ajustable ».

Comme on le voit, les formes, tailles et matériaux sont là aussi très variés. Nous n’entrerons pas à ce stade dans l’explication de chaque forme et fonction, nous nous pencherons sur ces particularités lorsque nous aborderons des exemples de montages.

Vous pouvez voir trois bornes à l’avant du potentiomètre de gauche. Les deux bornes situées sur les côtés sont reliées entre elles par une piste (généralement en carbone bien qu’il existe d’autres matières). La voici, dans le même potentiomètre ouvert :

Art1 PHOTO 7

Cette piste fonctionne comme une résistance. Elle a une valeur, indiquée en  Ω, qui est la valeur générale du potentiomètre, et qui est généralement notée sur son capot. La borne centrale, quant à elle, est liée à un curseur, une sorte de petit balai venant glisser le long de cette piste en carbone. C’est lui que l’on déplace en tournant l’axe du potentiomètre.

Art1 PHOTO 8

Résultat :

  • entre les bornes latérales, vous avez une résistance fixe.
  • Entre la borne centrale et les bornes latérales vous avez deux résistances, dont les valeurs changent en déplaçant le curseur.

Le symbole schématique est très parlant :

Art1 PHOTO 9

Lorsque la résistance de droite augmente (marquée en vert), celle de gauche diminue (marquée en rouge), et inversement.

PHOTO 10

En utilisant le symbole de la résistance, vu ci-dessus, on pourrait donc schématiser un potentiomètre de la manière suivante :

Art1 PHOTO 11

Deux résistances en série (c’est-à-dire placées l’une après l’autre) avec une borne au centre.

Différentes courbes

Attention, toutefois, car la piste d’un potentiomètre possède une courbe. De quoi s’agit-il ?

On classifie les potentiomètres comme linéaires (symbolisé comme « LIN » ou « A »), logarithmiques (« LOG » ou « B ») ou anti-logarithmiques (plus rares, nous laisserons de côté pour l’instant). Cette courbe est généralement indiquée sur le potentiomètre et sur le schéma d’un circuit. Dans l’exemple ci-dessous, j’imagine un potentiomètre linéaire de 10KΩ. Sa fonction ressemble à ceci :

art1 PHOTO 12

Si le curseur est au milieu, il a parcouru 50% de sa course. Sa linéarité fait alors que R1 = R2 = 50% de la résistance totale = 5KΩ.

Art1 PHOTO 13

5KΩ et 5KΩ = 10KΩ

Si vous déplacez le curseur 25% plus loin, vous serez à R1 = 75% = 7,5KΩ et donc R2 = 25% = 2,5KΩ.

Art1 PHOTO 15

7,5KΩ et 2,5KΩ = 10KΩ

Tandis que dans un potentiomètre logarithmique, la résistance le long de la piste suit une courbe ressemblant à cela :

ART1 PHOTO 17

Oui, c’est exponentiel, pas logarithmique. Mais c’est fait pour compenser une écoute logarithmique, d’où le nom.

La valeur de R1 augmentera beaucoup plus vite en fin de course, qu’au début. En audio, ces potentiomètres sont souvent utilisés pour le réglage de gain ou de volume. Pour faire très simple, car on pourrait écrire une thèse là-dessus, ils permettent de compenser la courbe de l’audition humaine (qui perçoit les décibels de manière logarithmique). Si vous utilisez un potentiomètre linéaire pour un master volume, vous aurez l’impression que le volume augmente beaucoup trop rapidement dans le premier quart de sa course.

Pour finir : comme pour les résistances, les potentiomètres ont des tolérances, qui affectent non seulement la précision de leur résistance globale mais, surtout, la précision de leur courbe ! Cela devient très important en audio, surtout lorsque vous avez à faire à un signal stéréo : un potentiomètre peu précis peut créer des déséquilibres importants entre voies gauche et droite.

Les commutateurs

Pour conclure cet article, jetons regard rapide sur un autre élément qui peuple les façades de nos appareils. Que vous les bougiez délicatement sur vos préamplis Universal Audio ou que vous les écrasiez avec vos gros pieds sur vos pédales, ils sont partout pour nous permettre de gérer le fonctionnement de nos machines. Ce ne sont pas à proprement parler des composants passifs, mais plutôt des pièces électromécaniques.

On a tendance à les angliciser en « switch » mais le terme le plus général qu’on peut leur appliquer est probablement celui de « commutateur ».

PHOTO 18.JPG

En vérité ils portent des noms spécifiques selon leur fonction et leur technologie.

Par exemple :

  • Un « interrupteur » a deux positions : soit il autorise, soit il interrompt le passage du courant. Techniquement, à l’intérieur de l’interrupteur, il y a souvent deux lames en métal. En position ouverte, elles ne se touchent pas, le courant ne passe pas ; en position fermée, elles entrent en contact, ce qui permet la conduction du courant. Leurs symboles sont assez parlant :

Art1 PHOTO 19

Deux symboles d’interrupteur en position ouverte

  • un « inverseur » a également deux positions. La seule différence : il y a contact dans les deux positions. Il permet d’envoyer le courant dans deux parties différentes du circuit. Là aussi le symbole est clair :

PHOTO 20

Attention, j’ai ajouté des couleurs pour rendre la chose plus parlante : soit le courant passe entre le point rouge et le vert, soit entre le rouge et le bleu.

  • Certains commutateurs ont plus de deux positions. Sans entrer dans les détails de leur fonctionnement, on pensera en particulier aux commutateurs rotatifs, très courants en audio.

PHOTO 21.JPG

Rendez-vous au prochain article, pour parler des condensateurs…

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Les composants actifs : les amplis opérationnels
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