Un grille-pain sert à maintenir du pain pendant quelques dizaines de secondes entre deux résistances chauffantes. L'appareil est mis en marche par l'abaissement de la manette. La durée de la chauffe est fixée à l'avance, par un dispositif de minuterie réglable. Après quoi, le pain est éjecté et l'appareil s'éteint tout seul une fois pour toutes.

L'appareil est très efficace en tant que chauffage car la quasi totalité de la puissance consommée est transformée en chaleur. En tant que grille-pain, on perd beaucoup de chaleur dans la pièce !

Le brunissement du pain en surface est obtenu par la chaleur transmise par rayonnement : les résistances atteignent une température suffisante pour être de couleur rouge ou orangée (on dit : chauffer au rouge) et ainsi rayonner un peu de lumière visible rouge et beaucoup de rayonnement infra-rouge (que nous percevons comme de la chaleur).

La température stable des résistances résulte de l'équilibre entre le flux de chaleur qu'elles génèrent (par effet Joule à partir de la totalité de la puissance électrique consommée) et le flux de chaleur qu'elles perdent par rayonnement et par réchauffement de l'air environnant. Au début de la chauffe, lorsque la température est plus basse, la perte de chaleur par rayonnement est plus faible et ne compense pas la chaleur générée. Ainsi, le matériau de la résistance emmagasine de la chaleur et sa température augmente. La géométrie de l'appareil et la puissance de la résistance sont choisis de manière à ce que la température d'équilibre soit dans la gamme adéquate.

La résistance proprement dite est un fil fin et un peu plus résistif qu'un bon conducteur, c'est souvent un alliage nickel-chrome.

Selon le modèle de grille-pain, la résistance chauffante présente trois principaux types d'agencement. Le plus fréquent est un fil tendu en aller-retours successifs sur une carte de mica (bon isolant électrique et thermique). C'est un modèle fragile : le fil tendu est vulnérable aux frottements. Plus robuste est la disposition où le fil résistif est enroulé comme un ressort autour d'une tige ou d'un tube : comme il peut tourner ou coulisser, il s'oppose moins aux frottements et est moins facilement détérioré. L'agencement le moins fréquent est un tube de quartz contenant le fil enroulé sur lui-même comme un ressort. Cette géométrie est robuste, mais à la longue le fil se regroupe de façon irrégulière du fait des changements de température, sa température devient irrégulièrement répartie et il peut devenir fragile.

Pour les modèles classiques à une fente, les résistances de part et d'autre de la fente, quel que soit leur agencement, sont en série l'une avec l'autre, et sont reliées l'une à l'autre à l'extrémité arrière du grille-pain, le plus souvent via une tige rigide.

L'abaissement de la manette actionne deux interrupteurs, de manière à connecter ou couper les deux fils du secteur. Cette double coupure est essentielle. Ainsi, au repos, la résistance chauffante n'est aucunement connectée au secteur et évite ainsi toute électrisation par contact d'une personne avec la résistance, directement ou via un objet en métal. La structure des interrupteurs varie d'un modèle à l'autre. Ce sont parfois des objets spécifiques. Mais le plus souvent, chaque interrupteur est une simple languette souple actionnée par une pièce solidaire de la manette, et qui vient contacter une autre pièce métallique pour établir la connexion.

Il arrive que l'une des languettes soit cassée, ce qui empêche l'appareil de fonctionner. Il ne faut en aucun cas supprimer cet interrupteur en le remplaçant par une connexion permanente, car cela causerait des risques d'électrisation.

Remarque. Chaque interrupteur du grille-pain est capable, sans se détériorer, de supporter le courant d'environ 3 A (soit 230 V / 70 ohm) pendant quelques minutes et ne pas trop s'oxyder lors de la coupure de ce courant. La remontée brutale de la manette (grâce au ressort que l'on a tendu initialement) permet de ne pas s'attarder dans une position où les deux contacts d'un interrupteur sont très peu écartés. En effet, la tension appliquée (ici 230V effectifs, soit jusqu'à 325V au maximum de la sinusoïde) génère alors une étincelle qui accentue l'oxydation des contacts.

Avec le temps, un contact fortement oxydé occasionne une résistance de contact décelable au multimètre, et celle-ci occasionne un échauffement du point de contact à cause du courant de l'ordre de 3 A (puissance au point de contact = résistance du contact multiplié par le carré du courant 3 A), donc potentiellement une haute température et peut-être une soudure spontanée de l'interrupteur ou une combustion partielle des éléments proches. Lorsqu'on ouvre un grille-pain, il est donc toujours utile de frotter légèrement les contacts des interrupteurs pour ôter leur oxydation. Il faut cependant prendre garde à ne pas endommager les languettes.

Le blocage de la manette en position basse peut se produire de deux manières distinctes selon les modèles, et cela va de pair avec le type de minuterie de l'appareil.

Dans le cas d'une minuterie électronique (cas le plus courant), c'est un électro-aimant qui retient la manette en position basse, alimenté grâce aux interrupteurs actionnés. Pour ces grille-pain, la manette ne reste donc pas en position basse si l'appareil n'est pas branché sur le secteur.

Dans le cas d'une minuterie mécanique, le blocage de la manette est purement mécanique, il résulte de la forme des pièces qui pivotent et qui s'imbriquent. La manette d'un tel grille-pain reste donc abaissée même s'il n'est pas relié au secteur.

Lorsque l'appareil est fonctionnel, le blocage ou non de la manette lorsqu'il n'est pas branché au secteur est donc une manière de distinguer le type de minuterie sans besoin d'ouvrir l'appareil.

Dans les deux cas, l'appareil étant débranché, l'abaissement de la manette (et son maintien en bas) permet de connecter les deux fils principaux de la prise aux bornes de la résistance chauffante. On peut ainsi vérifier qu'elle n'est pas rompue et qu'elle a une valeur raisonnable.

La minuterie fonctionne à basse tension continue, comme tous les dispositifs électroniques sophistiqués. Elle possède donc une partie alimentation (qui génère une telle basse tension à partir de la tension du secteur) et une partie commande de l'électro-aimant (avec souvent une amplification).

La durée de chauffe est réglée par un bouton qui agit sur un potentiomètre (résistance variable) rotatif (ou parfois coulissant). Dans les cas les plus simples, la résistance variable est directement reliée à un condensateur pour modifier la durée de sa charge (de l'ordre du produit RC). La chauffe est interrompue lorsque sa charge atteint une certaine valeur seuil.

L'alimentation est en général obtenue par prélèvement d'une partie de la tension du secteur aux bornes d'une partie de la résistance chauffante. Il y a donc un point de prélèvement intermédiaire, proche de l'une des deux extrémités. Cela fournit une faible tension alternative. Cette tension est redressée par une ou quatre diodes, puis stabilisée par un condensateur, voire une diode Zener protégée par une résistance. La minuterie électronique proprement dite est parfois simple (un ou deux transistors, un condensateur et quelques résistances), parfois intégrée dans une petite puce.

Dans le cas d'une puce (incapable en général de fournir le courant nécessaire à la bobine de l'électro-aimant), son signal est amplifié grâce à un ou deux transistors (en général de type bipolaire classique).

L'électro-aimant est toujours accompagné d'une diode en parallèle, branchée dans le sens bloquant par rapport à la tension appliquée. Voici pourquoi. Lorsqu'on applique une tension à une bobine, le courant monte progressivement à mesure que se crée le champ magnétique, jusqu'à se stabiliser à une valeur qui dépend de la résistance ohmique du fil de la bobine. Lorsque l'on coupe le courant (ici, c'est un transistor qui cesse d'être passant), le champ magnétique existant a tendance à ralentir la décroissance du courant. Ainsi, la bobine continue à générer un courant. Celui-ci pourrait construire une forte tension (en sens inverse de la tension initiale). Une telle tension pourrait endommager le circuit électronique de commande, à commencer par le transistor. Pour éviter cela, il est classique de positionner une diode en parallèle de la bobine du relais, dans le sens qui permettra à la tension inverse d'être aussitôt absorbée. Remarque : une telle diode est présente sur tous les appareils comportant un électro-aimant, y compris dans un relais comme celui d'une bouilloire ou d'un four à commande électronique.

Les grille-pain plus anciens sont purement électro-mécaniques : la minuterie ne contient aucun composant électronique.

Lorsque la manette a été abaissée, une petite résistance chauffante se met en route également. Elle est située derrière la face avant du grille-pain et chauffe une pièce métallique sensible à la température, appelée bilame. Celui-si fléchit progressivement et finit par déboîter une pièce de manière à couper sa propre petite résistance chauffante. Lorsque le bilame refroidit et revient en arrière, il deboîte finalement le ressort principal, et la manette remonte brutalement.

Le réglage de la durée est obtenu en modifiant l'orientation de la base du bilame grâce à un bouton coulissant.

Le bilame se déforme progressivement quand la température monte. C'est une plaque métallique constituée de deux lames accollées l'une sur l'autre (d'où le nom bilame). Ces lames sont constituées de deux métaux différents. Ainsi, lorsque la température monte, les deux métaux se dilatent mais pas dans la même proportion. Comme les deux pièces sont liées mécaniquement, elles fléchissent pour accomoder au mieux l'écart de dilatation. Le bilame prend ainsi une forme de plus en plus courbée à mesure que la température augmente, et c'est ainsi qu'il peut actionner les autres éléments. Les caractéristiques du bilame et des éléments sont choisies de telle sorte que la durée de chauffe soit dans la gamme souhaitée.

Dans un grille-pain, le bilame est rectangulaire et la petite résistance chauffante est enroulée autour de lui (avec une protection électriquement isolante). Dans d'autres appareils ou dans les thermostats, la géométrie des bilames peut varier.

Le câble apporte la puissance électrique (via la phase et le neutre). Il apporte aussi la sécurité via le fil de terre, relié à la carcasse métallique. S'il y a dans l'appareil des contacts parasites qui apportent de la tension vers des parties métalliques accessibles à la personne qui utilise l'appareil, ça peut être dangereux. Grâce au fil de terre (si la terre de la maison est bien connectée) : d'une part ces tensions sont ramenées à la terre, ce qui rend les parties métalliques inoffensives, d'autre part ça fait en principe disjoncter le différentiel de la maison, ce qui stoppe le danger.

Dans un grille-pain, la résistance chauffante se dilate lorsqu'elle monte en température. Dans les modèles à résistance maintenue sur une plaque de mica, il arrive qu'en se dilatant, des tronçons de résistance se déforment tant qu'ils touchent la grille métallique qui sert à maintenir le pain. Cela se produit notamment lorsque la tranche de pain est trop épaisse. Dans ce cas, en cours de fonctionnement, le contact se fait et occasionne une forte fuite de courant via la grille et le fil de terre. Cela déclenche instantanément le disjoncteur différentiel, voire le disjoncteur de puissance. Ainsi, il vaut mieux préparer des tranches raisonnablement fines !

D'une valeur habituelle de 70 ohm environ, la résistance dissipe, par effet Joule, une puissance de l'ordre de P = U^2 / R = 700 W pour un grille-pain simple, à une fente. Cette puissance est le rythme de transformation (W = J/s) de l'énergie électrique en chaleur. Il est utile, lorsqu'on inspecte l'intérieur du grille-pain, de vérifier que la résistance mise en oeuvre dans le circuit est effectivement de l'ordre de 70 ohm.

Lorsqu'il y a deux ou plusieurs fentes pour le pain, le câblage du grille-pain est parfois complexe et la puissance peut être supérieure (elle est en principe indiquée quelque part sur l'appareil). La résistance est alors souvent constituée de plusieurs éléments qui peuvent être en partie en série et en partie en parallèle, cela peut prendre un peu de temps de comprendre comment les éléments sont connectés entre eux.

Remarque : la valeur U = 230V habituellement citée pour la tension du secteur désigne la tension efficace, c'est-à-dire la valeur de la tension continue qui fournirait la même puissance dans une résistance chauffante. La tension alternative chauffe bien la résistance quel que soit le sens de circulation du courant, mais elle passe régulièrement par zéro. Inversement, sa valeur passe régulièrement au-dessus de 230V : l'amplitude de la sinusoïde est en fait de 325V, soit racine de 2 fois 230V. La puissance instantanée égale la tension (sinusoïdale) multipliée par le courant (sinusoïdal aussi puisqu'il est relié à la tension par la valeur de la résistance). La puissance moyenne est proportionnelle à la valeur moyenne (1/2) du produit de ces deux sinus identiques, d'où le facteur racine de 2 entre la tension de crête et la tension efficace.

Renoncer aux tartines trop épaisses ou irrégulières : risque de court-circuit au bout de quelques minutes (disjoncteur) et surtout, risque d'endommagement des résistances.

La résistance est fragile : ne pas utiliser une fourchettes etc, mais plutôt une pince en bois, avec délicatesse.

Se méfier de la moindre miette sur la résistance : en se carbonisant, elle apporte de la chaleur suppélementaire et favorise l'endommagement local de la résistance.

De l'art de retourner le grille-pain. Pour évacuer les miettes, placer face à toi le petit côté avec les commandes, puis basculer le grille-pain de l’avant vers l’arrière. Ainsi, on protège des miettes les résistances sur le coté ainsi que les dispositifs de commandes à l’avant.

Certains grille-pain n'ont pas de manette pour abaisser le pain : un bouton poussoir permet de mettre en marche l'appareil, et un moteur abaisse progressivement le support du pain ! D'autres grille-pain, encore plus anciens que ceux à minuterie mécanique, n'ont pas de minuterie du tout : on place manuellement les tranches de pain, on les maintient par une pièce métallique, et on enclenche le courant manuellement. Évidemment, il faut surveiller le pain. Mais c'est robuste !