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Les bases de l'électronique

L'électronique est la manipulation de signaux et d'informations électriques afin de les mesurer, les contrôler ou de les modifier.Des éléments désignés « composants » sont assemblés sous la forme de circuits. Ces assemblages peuvent être réalisés à la main ou par des sociétés industrielles qui intègrent et miniaturisent ces circuits. Par exemple, le processeur de la carte Arduino est un circuit intégré contenant des millions de composants.

Notions électriques fondamentales

L'électricité est une forme d'énergie comme les énergies éolienne ou hydraulique. Cette énergie électrique peut se résumer par : mouvements des électrons entre les atomes. Par exemple, en frottant un ballon sur certains vêtements, comme un chandail, des électrons sont échangés entre les atomes du ballon et ceux du chandail. Le ballon se charge ainsi négativement en captant les électrons du vêtement : nous nommons ceci « l'électricité statique ». L'électricité devient « dynamique » si l'on décharge graduellement le ballon en le laissant « coller » à un mur où à des cheveux.

Pour bien comprendre les éléments de mesure de base de l'électricité, il est pratique d'utiliser l'analogie d'un système hydraulique. Imaginez un système hydraulique composé de deux réservoirs d'eau connectés ensemble via un réseau de tubes.

La tension et la différence de potentiel (Volts)

Sur notre image, nous observons que les deux bassins sont à des altitudes différentes (1) et (2).Ces altitudes correspondent au potentiel électrique.

La différence entre les deux altitudes soit le dénivelé (3) correspond à la tension. Ce dénivelé va générer une pression à cause de la gravité.

La tension et le potentiel sont exprimés en Volts (notée V ou souvent U). La source d'alimentation électrique d'un circuit (une pile, par exemple) est une source de tension.

On mesure toujours une altitude par rapport à une référence. En électricité, on place souvent cette référence au (-) de l'alimentation (qui correspond ici au point (2)). Dans les schémas électroniques, cette référence correspond souvent à la « masse ». Lorsqu'on interconnecte deux circuits alimentés différemment, il est indispensable de leur donner la même référence (voir chapitre « Précautions d'utilisation »).

Le courant (Ampères)

Dans notre système, la pression générée par le dénivelé provoque un certain débit d'eau dans le réseau de tuyaux. Le débit correspond au courant. En électronique, le courant est exprimé en Ampères (A ou noté I ou i).

La résistance (Ohms)

Lorsque le tube se rétrécit dans notre exemple (4), une moins grande quantité d'eau peut circuler à la fois. Ce rétrécissement crée ce qu'on appelle une résistance. La pression du système (ou la force avec laquelle l'eau circule) n'est pas changée ; c'est plutôt le débit qui change. En électronique, la résistance est exprimée en Ohms (Ω ou noté R).

L'équation générale qui lie ces trois unités de mesure est : U = RI

Soit le voltage (U) est égal à la résistance (R) multipliée par le courant (I).

Circuits, parallèle ou série

Un circuit est un ensemble de composants électriques.Bien que cela semble contre-intuitif à première vue, on dira qu'il est « fermé » lorsqu'il y a continuité dans les connexions qui lient les composants entre eux. Un circuit « ouvert » comporte une discontinuité dans les connexions. Autrement dit, lorsque le circuit est fermé, le courant passe, et lorsqu'il est ouvert, il ne passe pas.

Lorsqu'on désigne un circuit comme étant en série, cela signifie que les éléments sont connectés les uns à la suite des autres, sur une même branche (5). Dans ce cas les valeurs de résistance vont s'additionner.

Dans un circuit en parallèle, les éléments sont situés chacun sur des branches indépendantes (6). Dans ce cas, les résistances sont situées à altitude égale et donc soumises à la même tension (voltage). Dans ce cas, le courant se partage dans chacune des branche.

AC/DC

Ces deux abréviations ne représentent pas seulement un groupe de rock. Un courant électrique DC, parfois noté CC, signifie « Direct Current » en anglais soit « Courant Continu ».C'est un courant qui ne varie pas dans le temps. Il peut être généré par une pile, une batterie ou un circuit d'alimentation qui redresse un courant alternatif.Le courant DC est le type de courant habituellement utilisé en électronique. Par exemple, votre carte Arduino est alimentée par ce courant.

Le courant AC signifie « Alternating Current » ou « Courant Alternatif ». Il s'agit d'un courant qui change de direction continuellement. Il peut être périodique, c'est-à-dire que sa fréquence est constante. La forme la plus utilisée est le courant sinusoïdal. Il est caractérisé par sa fréquence notée f et exprimée en Hertz, qui correspond au nombre d'aller-retour par seconde. Dans certains calculs, il peut arriver que l'on ait besoin de sa pulsation souvent notée oméga minuscule (w) = 2 x PI x f. Le courant électrique utilisé à la maison est AC.

Multiples

En électronique, les valeurs sont parfois très petites ou très grandes. Pour simplifier leur notation, on rencontre souvent des préfixes qui expriment des multiples des valeurs.

 

Multiple Préfixe Notation Nom
10e6  / 1 000 000 méga- M million 
10e3  / 1 000 kilo- k millier 
10e-1 / 0.1 déci-  d dixième 
10e-2 / 0.01 centi- centième 
10e-3 / 0.001 milli- millième 
10e-6 / 0.00000 micro- μ millionième 
10e-9 / 0.000000001 nano- milliardième 

Par exemple, une valeur de 0.001 Ampères pourrait être écrite de plusieurs manières :

  • 1 mA = 1 milliampère = 1.10-3 A = 0.001 A

Les composants

Les composants sont des éléments de base en électronique qui, une fois assemblés, constitueront un circuit électronique. Chacun de ces éléments a un comportement bien particulier, dépendant de ses caractéristiques et de ses conditions d'utilisation. Pour le choix et le dimensionnement des composants les plus complexes, il est utile de consulter leur fiche technique (« datasheet » en anglais).

Voici une description de quelques-uns de ceux-ci.

Résistance

Les résistances sont utilisées dans de nombreux cas, pour réduire une tension (voir plus loin le pont diviseur de tension), pour provoquer un courant, ou associées à d'autres composants pour des circuits plus complexes (exemple : filtre RC). Sa valeur est notée R et exprimée en Ohms.

En série, les résistances s'additionnent : Req = R1 + R2 + R3

En parallèle, c'est différent : 1 / Req = ( 1 / R1 ) + ( 1 / R2 ) + ( 1/R3 )

La formule associée à la résistance est :  U = RI

En électronique, la valeur d'une résistance est codée par des anneaux de couleurs :

Dans l'exemple ci-haut, la résistance est de 220 kOhms, ou 220 000 Ohms. Le premier anneau est rouge. Dans le tableau ci-bas, le chiffre qui correspond à la couleur rouge est 2. Le second anneau est également rouge, donc notre chiffre est également 2. Le chiffre que l'on obtient en combinant à la suite les deux anneaux est donc 22. Finalement, le multiplicateur est jaune, correspondant à 10 000. Donc, 22 x 10 000 nous donne 220 000, ou 220 k.

Condensateur

Le condensateur (« capacitor » en anglais) est constitué de plaques de conducteurs, éléments qui permettent l'échange d'électricité, séparées par un isolant. Un condensateur est capable d'emmagasiner une tension électrique, un peu à la manière d'un réservoir. Sa valeur caractéristique est la capacité, notée C et exprimée en Farad (F). Il est souvent utilisé pour filtrer, c'est-à-dire lisser une tension (car il agit un peu comme un amortisseur) et il ne conduit l'électricité que si le courant change, par exemple lors de la mise sous tension ou l'extinction du circuit.

Les règles d'association sont l'inverse de celles des résistances :

En parallèle, les condensateurs s'additionnent : Ceq = C1 + C2 + C3

Tandis qu'en série : 1 / Ceq = ( 1 / C1 ) + ( 1 / C2 ) + ( 1 / C3 )

La formule associée au condensateur est : i = C ( dU / dt )

Remarque : plus la tension change, plus le courant à ses pattes sera fort. Il faut parfois se méfier de ces pics de courant à l'allumage et à l'extinction du circuit.

Bobine (« Coil »)

La bobine est un enroulement de fil conducteur. La bobine est souvent utilisée pour filtrer un courant, générer un champ magnétique (électroaimant) ou amplifier un signal (radio). Sa valeur caractéristique est l'inductance notée L et exprimée en Henry (H).

La formule associée à la bobine est : U = L ( di / dt )

Remarque : plus la tension change, plus le courant à ses bornes sera fort. Pour cette raison, il faut prendre quelques précautions lorsqu'on commute une bobine dans un montage : utiliser par exemple une diode « de roue libre » (voir « Diode ») qui évacuera la surtension à l'allumage et à l'extinction.

Transistor

Le transistor est une association de trois couches de semi-conducteur et dont la couche du milieu sert à contrôler le passage du courant dans les deux autres. Il s'agit d'un composant actif qui est souvent utilisé comme interrupteur ou amplificateur, à la manière d'un relais. Il existe différents types de transistor au comportement différent, les NPN et PNP, les transistors à effet de champ, ou MOSFET.

Pour plus de détails, consultez http://fr.wikipedia.org/wiki/Transistor

Diode

La diode est composée de deux couches de semi-conducteur et ne laisse passer le courant que dans un sens : de l'anode vers la cathode ; du (+) vers le (-). Elle peut servir à bloquer des retours de courants non désirés ou construire un pont redresseur pour passer d'un courant alternatif à un courant continu. Le trait présent sur le composant indique la cathode c'est-à-dire la borne négative (-).

Diode de « roue libre »

On utilise également la diode pour éliminer la surtension qui apparaît dans une bobine lors de l'allumage et de l'extinction. Il suffit de placer la diode en parallèle avec l'inductance (la bobine).C'est ce qu'on appelle une diode de « roue libre ». (voir projet « La cigarette ne tue pas les machines »).

LED ou DEL

La LED est une diode électroluminescente : elle s'allume lorsqu'un courant passe dedans. Sa cathode (-) est plus courte que son anode (+). C'est un composant très pratique pour visualiser rapidement les états de certains circuits, car elle est facile à mettre en œuvre et consomme très peu de courant (en général 6 à 20 mA). Une LED se caractérise par sa tension de seuil qui exprime la tension à ses bornes lorsqu'elle est alimentée.

Quelques valeurs à titre d'exemple
CouleurTension de seuil (Vf)Consommation (If)Longueur d'onde
rouge 1,6 V à 2 V 6 à 20 mA 650 à 660 nm
jaune 1,8 V à 2 V 6 à 20 mA 565 à 570 nm
vert 1,8 V à 2 V 6 à 20 mA 585 à 590 nm
bleu 2,7 V à 3,2 V 6 à 20 mA 470 nm

Il n'est pas bon d'alimenter une LED directement en 5 V (via une carte Arduino) car elle est en surtension : même si elle fonctionne elle brûlera rapidement. Pour la protéger, il faut utiliser le principe du pont diviseur de tension (expliqué plus loin) en la câblant en série avec une résistance, dont la valeur se calcule de la manière suivante :

  • R = ( tension d'alimentation - tension de seuil ) / courant

Ainsi pour une LED rouge par exemple : R = ( 5 - 1,6 ) / 0,02 = 170 Ohms

Remarque : la broche 13 de la carte Arduino est déjà équipée d'une résistance qui permet d'y brancher une LED directement.

Potentiomètre

Le potentiomètre est en fait un composant à résistance variable, qui se règle avec un bouton ou une glissière. On change la résistance du potentiomètre par une manipulation physique ; c'est une interface humain/machine.

Interrupteur

L'interrupteur ouvre ou ferme un circuit. Il est lui aussi une interface humain/machine. Il peut-être monostable (il revient à sa position initiale quand on le lâche) ou bistable (il garde sa dernière position). Il peut être NO (ouvert au repos) ou NF ou NC (fermé au repos). Il existe des interrupteurs combinant ces deux fonctions.

Relais

Le relais est un interrupteur électromécanique, ce qui signifie qu'il change de position ou d'état grâce à un électroaimant. Il peut donc être commandé par un signal électrique dans un circuit. Le relais est utilisé pour relayer une commande sur un circuit de plus forte puissance (voir chapitre « Précautions d'utilisation »). Comme l'électroaimant contient une bobine, il est nécessaire d'utiliser une « diode de roue libre ».

Piézoélectrique

Le piézoélectrique est un composant réversible qui génère une tension quand il est déformé et qui se déforme lorsqu'il est soumis à une tension. Il prend souvent la forme d'une pastille qui peut alors servir à la fois de micro-contact et de haut-parleur. Il peut ainsi servir d'interface humain/machine. Le signal sortant d'un piézo est assez erratique.

Cellule photoélectrique

 

La cellule photoélectrique, ou photorésistance, est un semi-conducteur à résistance photo-variable. Elle permet de détecter et/ou mesurer la lumière.

Thermistance

 

La thermistance est une résistance qui varie avec la température. La correspondance n'est pas linéaire, c'est pourquoi il est utile de se référer à la fiche technique du composant utilisé.

Moteur

image manquante

Le moteur électrique est un dispositif électromécanique qui fonctionne grâce à l'électromagnétisme généré par des bobines.

Servomoteur

Le servomoteur est un petit moteur asservi c'est-à-dire qu'un circuit interne contrôle en permanence sa position. Il a souvent une plage de liberté réduite (moins d'un tour) mais peut atteindre à coup sûr une position et la maintenir avec force. Il existe de nombreux modèles. Les plus petits peuvent être actionnés directement avec une carte Arduino (voir chapitre « Précautions d'utilisation »).

Circuits intégrés

Ce sont des circuits (donc des assemblages de composants) qui sont intégrés dans un même boîtier. Il en existe de nombreux types aux fonctionnalités et complexités diverses, du simple régulateur de tension au processeur d'ordinateur. La puce ATMEGA qui est au cœur de la carte Arduino est un circuit intégré. Ces composants sont très utiles pour réaliser des montages complexes en un minimum de place. Ils sont identifiés par une référence visible sur leur boîtier. ette référence permet d'accéder à leur fiche technique (en anglais datasheet), en général facile à trouver sur internet [référence du composant + « datasheet »] dans un moteur de recherche.

Quelques circuits de base

L'idée ce cette partie n'est pas de vous montrer de manière exhaustive les circuits possibles car cette tâche est irréalisable. En revanche, quelques circuits constituent le b.a.-ba de l'électronique : en effet ils apparaissent dans presque tous les montages. Connaître leur fonctionnement vous permettra de comprendre plus facilement un circuit.

Pont diviseur de tension

Ce circuit est très utile pour réduire une tension. Dans un pont diviseur, la tension aux bornes de la seconde résistance est proportionnelle au rapport de celle-ci par rapport à la résistance globale du circuit. Dans la métaphore de l'eau, les deux résistances constituent un escalier ou une cascade. Sa fonction est :

  • U2 = U X ( R2 / ( R2 + R1 ) )

Si l'on veut mesurer, par exemple, une tension qui oscille entre 0 et 15 V avec une carte Arduino qui ne supporte que 0-5 V, il faut utiliser un pont diviseur de tension constitué de deux résistances dont la première vaut le double de la seconde.La tension entre les deux résistances oscillera entre 0 et 5 V. La valeur totale des deux résistances déterminera la consommation électrique du circuit (voir « Résistance »).

Exemple : avec 1 MOhm et 2 MOhms, U2= 15X(1000/(1000+2000)) = 5 V

On utilise ce modèle pour limiter la tension aux bornes d'une LED lorsqu'on l'alimente avec une carte Arduino (voir plus haut).

Pont diviseur de courant

Ce circuit est le pendant du pont diviseur de tension. Lorsqu'on branche deux résistances en parallèle, le courant se partage entre les deux branches proportionnellement au rapport des valeurs des résistances. Sa fonction est :

  • I1 = I X ( R2 / ( R1 + R2 ) )

Le multimètre

Le multimètre est un ensemble d'appareils de mesure comprenant habituellement un voltmètre, un ampèremètre et d'un ohmmètre, pour mesurer la tension, le courant et la résistance de composants ou de circuits. Il comporte deux broches, habituellement rouge et noire, correspondant à la polarité (positive et négative) du multimètre. Il faut faire bien attention à respecter cette polarité pour certaines mesures et de s'assurer à chaque fois que la base de chaque broche est connectée à la bonne entrée du multimètre.Bien évidemment, il faut spécifier la grandeur à mesurer à l'aide du sélecteur du multimètre. Par exemple, pour mesurer une tension qui devrait se situer entre 0 et 5 V, on place le sélecteur à la barre des 20 V (si disponible). Pour un voltage de plus petite échelle, entre 0 et 1 V par exemple, il faudrait mettre le sélecteur sur le symbole 2 V.

Un multimètre comporte habituellement quatre entrées généralement identifiées par 10 A ou 20 A, mA, COM et V ou Ω. La base de la broche noire est toujours connectée à la broche COM qui correspond au pôle négatif ou au « Gnd » (Ground) sur la carte Arduino ou à la masse. En fonction de la grandeur que l'on veut mesurer, le connecteur de la broche rouge se branche aux autres entrées : Entrée Utilisation 10 A ou 20 A pour mesurer un courant élevé 

Tableau
EntréeUtilisation
10 A ou 20 A pour mesurer un courant élevé
mA pour mesurer un courant faible
V, Ω, diode pour mesurer une tension, une diode, résistance et continuité

La tension se mesure en parallèle et entre deux points d'un circuit, c'est-à-dire qu'il faut « créer » une nouvelle branche avec les broches du multimètre. Le circuit doit être sous tension pour effectuer la mesure.

Le courant se mesure en série, c'est-à-dire qu'il faut insérer le multimètre dans le circuit ou une branche.Le circuit doit être sous tension pour effectuer la mesure. Attention ! Lorsqu'on mesure le courant d'un circuit, il faut s'assurer de brancher la base de la broche positive (rouge) dans l'entrée appropriée du multimètre (souvent identifiée par mA ou A) en fonction de la puissance. Si ceci n'est pas fait de manière correcte, il est possible d'endommager le multimètre. La résistance se mesure sans tension. Pour mesurer la résistance d'un composant, il suffit de connecter les deux broches du multimètre à chacune des pattes du composant que l'on souhaite mesurer.

Pour vérifier la continuité d'un circuit et pour voir s'il n'est pas « ouvert », si une connexion n'est pas interrompue ou encore si il n'y pas de court-circuit, il est possible d'utiliser la fonction « continuité » du multimètre. On prend cette mesure en connectant les broches du multimètre à chacune des extrémités du composant ou du circuit. Il est à noter que, par exemple, un circuit comprenant des résistances ne présente pas de continuité complète.

Pour la réalisation de circuits électroniques, plusieurs outils sont essentiels. Nous aborderons les principaux d'entre eux au chapitre Méthodologie, section Mise en œuvre.

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