Quelques bases d'électricité
Vous trouverez sur cette page les points fondamentaux à
connaître pour concevoir ou comprendre la grande majorité de
circuits électroniques. J'ai repris la base ainsi que le fonctionnement des principaux composants. Vous y trouverez des
notions sur :
1/ Tension électrique entre 2
points :
Sans tension, rien
n’est possible. Si on veut qu’un courant circule entre 2 points, il faut qu’une
tension relative existe entre ces 2 points.
En chaque point d’un circuit, il est possible de mesurer la
tension absolue ( C'est-à-dire par rapport à la masse). Par exemple sur la vue ci-dessus, au point A,
UA=4v tandis qu’au point B, UB
=1v.
Une mesure de tension relative (entre 2 points du circuit) est possible
à l’aide d’un voltmètre. Il est possible de la calculer en faisant la
différence entre les tensions absolues de chaque extrémité du dipôle. Dans
notre cas, un voltmètre branché sur les points A et B donnera une tension relative :
Ur = UA - UB =
4 - 1 = 3volts
La tension relative (aux bornes d’un dipôle) est celle qui
nous intéresse le plus.
2/ La loi d’Ohm :
Dans
une résistance, plus la tension est grande, plus l’intensité qui la traverse
est grande. Et vice-versa ! Tension et intensité sont proportionnelles. Le coefficient de
proportionnalité est la résistance (exprimée en Ohm).
La loi d’Ohm permet donc de calculer le lien entre l’intensité
et la tension : U=R x I
On la trouve aussi sous la forme R
= U
/ I ou encore I = U / R .
Exemple : avec une résistance de 1000 Ohms et une
tension de 5 volts, on obtient
I = 5 / 1000 = 0.005 Ampère = 5 milliAmpères
3/ Un diviseur de
tension :
En appliquant la loi précédente sur 2 résistances en série, on crée un
diviseur de tension. Partons de la résistance R du montage précédent et divisons-la en deux R= R1
+ R2
On a donc aussi « divisé » la tension U en deux tensions U1
et U2. L’intensité étant la même dans
chaque résistance, la loi d’Ohm nous permet d’écrire :
i = U/ R =
U1 / R1 = U2
/ R2
On peut facilement exprimer chaque tension en fonction de la
tension U et des résistances :
U1 = U x R1 /R et U2 = U x R2 /R
Et surtout on voit que le rapport des tensions est égal au
rapport des résistances
U1 / U2 = R1 / R2
Donc,
non seulement on divise la tension globale en deux tensions plus
faibles, mais surtout le rapport des tensions est égal au rapport
des résistances. C'est super-pratique quand on veut utiliser une petite
partie d'une tension dans un montage. On utilisera ce principe assez
souvent dans un décodeur.
Exemple d'utilisation :
Imaginons que vous avez un capteur qui fonctionne en 12v, alors que
votre microcontrôleur ne peut absolument pas supporter plus de 5
volts... comment les relier sans cramer le µC ? Le diviseur de tension
est là pour vous sauver !
La tension en trop vaut 12 - 5 = 7volts
Le rapport des tensions dans les résistances vaut donc : 7 / 5 = 1.4
Le rapport des résistances est donc égal à 1.4 ==> R1 / R2 = 1.4
On peut donc choisir les résistances que l'on veut tant que ce rapport est respecté. Par exemple :
R1
|
R2
|
1400 Ohm
|
1000 Ohm
|
2800 Ohm
|
2000 Ohm
|
5.6 kOhm
|
4 kOhm
|
etc...
|
Attention : ce calcul n'est valable que si le courant qui rentre
dans le µC est négligeable par rapport au courant qui traverse les
résistances.
4/ La diode :
TRES utilisée dans notre hobby, elle possède des caractéristiques bien sympathiques :
- Elle ne laisse passer le courant que dans un sens.
- Elle possède une "chute de tension" propre. C'est à dire qu'elle
"consomme" une petite partie de la tension qu'on lui applique pour
laisser passer le courant. Généralement 0.7 volt. En dessous de cette
tension, il n'y a pas de courant qui passe (ou alors TRRRES faible).
Lorsque le courant augmente fortement, cette tension n'augmente que très
peu.
En raison de la forte augmentation d'intensité pour une faible tension,
il est fortement déconseillé d'utiliser une diode seule. Elle est
presque toujours accompagnée d'une résistance pour éviter l'excès de
courant, ce qui la détruirait à coup sûr.
C'est particulièrement vrai avec les LED, qui sont des diodes un peu
spéciales puisqu'elles émettent de la lumière. Dans ces LEDs
l'intensité doit être limitée autour de 5 mA. En dessous,
elle n'éclaire pas assez, et au-dessus elle risque de claquer. Il faut
donc bien viser lorsqu'on calcule la résistance associée :
Voici un exemple de calcul de résistance :
Il est nécessaire de connaître la tension d'alimentation U
(ici on prendra 5v) ainsi que la chute de tension de la LED (ici on
prend 0.7v mais ça peut aller jusqu'à 2.5v pour certains modèles). On
choisit aussi l'intensité "i" que l'on souhaite laisser passer (on prendra 5mA).
La tension U est égale à la somme des deux autres tensions :
U= Ur + Ud
La résistance obéit à la loir d'ohm , on remplace donc Ur :
U= R x i + Ud
On exprime R en fonction du reste : R= (U - Ud) / i = (5 - 0.7) / 0.005 = 860 Ohm
Autre exemple d'utilisation de la diode : le Pont de diodes :
Cette aptitude à ne faire passer le courant que dans un seul sens la
rend particulièrement adaptée pour "redresser" une tension alternative.
On associe pour cela 4 diodes. C'est le fameux "pont de diodes"
5/ Les condensateurs :
Ce sont des « réservoirs » d’électricité. Ils
peuvent contenir une petite charge électrique (notée Q ). Leur
propriété principale est la capacité. Elle est exprimée en microFarad.
(µF). Cette capacité exprime grosso-modo la "quantité d'électrons" qu'il
est capable de contenir.
Ils ne permettent pas la circulation d’électrons d’une borne
à l’autre. Donc, quand les électrons sont « poussés » dans un coté du
condensateur, ils s’y stockent et, par électromagnétisme, repoussent les
électrons situés sur l’autre borne. La quantité d’électrons accumulés dépend de
la capacité « C » du condensateur et de la tension Uc
appliquée à ses bornes.
Ce qui se traduit par l’équation Q = C x U (mais vous pouvez
l’oublier, on ne l’utilise jamais !)
Donc
quand il n’y a plus assez de « place »
dans le condensateur, les électrons ne rentrent plus ! On a obtenu un
petit courant temporaire. Voilà pourquoi, si on observe l'électricité qui rentre
dans un condensateur, on peut voir des courbes de tension et de courant qui
ressemblent à ceci :
ATTENTION ! 2 précautions sont à prendre :
-
Il existe des condensateurs polarisés. C'est à dire que le + doit
absolument être placé du coté de la plus haute tension (le + de la
pile). sinon..PAF !
-
Il faut absolument respecter la tension maximum d'utilisation (marquée
sur le condensateur), voire même respecter une marge de sécurité de
1.5. C'est à dire que la tension du condensateur doit être 1.5 fois
plus grande que la tension maxi prévue dans votre montage.
Exemples d'applications :
1 - Avec de fortes capacités (C >
1000µF), on peut placer une LED rouge en série avec une résistance
et y décharger peu à peu le condensateur. Vous venez de créer un de feu de fin de convoi. La LED restera allumée
quelques secondes après que vous ayez enlevé le wagon des rails.
C'est exactement le principe utilisé par certains fabricants de
décodeurs pour masquer les petites pertes de courant. Ils appellent ça
le "power pack". C'est utilisable sur TOUS les décodeurs, facile à
placer et pas cher !
2 -Toujours avec une forte capacité, le
condensateur sert à réguler une tension d'alimentation. Ainsi, il est
quasiment toujours utilisé après un pont de diodes pour éviter
les grosses variations de tension.
3 - Le condensateur est aussi souvent utilisé pour protéger un
microcontrôleur des parasites. Il suffit de placer un petit
condensateur aussi près que possible des bornes d'alimentation du µC.
La capacité tourne autour de 0.1µF. (0.000001 Farad)
4 - Ils servent aussi pour réguler les oscillations d'un quartz. Pour
un quartz de 16 MégaHertz, il faut utiliser des condensateurs de 22
picofarad = 0.000000000022 Farad... oui, c'est minuscule !
6/ Le régulateur de tension :
Comme son nom l'indique, le régulateur de tension sert à... réguler
la tension. C'est un composant à 3 pattes : Une pour l'alimentation
(non régulée), une pour la sortie régulée, et la troisième pour la
masse commune.
L'alimentation doit obligatoirement avoir une tension plus grande que la sortie. Par exemple, on prendra une alimentation de 6 volts pour obtenir une tension parfaite de 5v en sortie.
Ce composant se charge "d'évacuer" la tension en trop. C'est pour cela
qu'il a tendance à chauffer si on lui demande une trop forte
atténuation. Par exemple, il vaut mieux éviter de fournir 20 volts en
alimentation si on n'a besoin que de 5 volts en sortie. Ca marche, mais
ça va chauffer inutilement.
Il existe toutes sortes de tensions :
- un "7803" va donner une tension de 3v (si on lui donne une source de 5v)
- un "7812" va donner une tension de 12v (si on lui donne une source de 15v)
- un "7818" va donner une tension de 18v (si on lui donne une source de 20 volts)
- etc...
Toutefois, il a tendance à laisser passer certains parasites. Pour éviter cela, on lui ajoute quelques petits condensateurs.
La tension est ainsi parfaite et exempte de parasites.... Mais c'est du luxe !
Remarque :
Il existe une autre moyen pour obtenir une tension à partir d'une autre
tension plus élevée : Le régulateur à découpage. Le principe n'est pas
le même, la complexité augmente considérablement. En revanche,
l'efficacité énergétique est BIEN meilleure
7/ Le Quartz :
Contrairement aux composants précédents, le quartz est un composant
actif. Il permet de générer une oscillation électrique de fréquence
EXTREMEMENT précise dans le temps. Il servira donc d'horloge pour un
microcontrôleur. Il est composé qu'un coeur en quartz (d'où son nom !)
emprisonné entre deux bornes électriques.
J'utilise courament des quartz de 16MHz, ce qui permet au µC de faire
16 Millions d'opérations par seconde. Il est possible de s'en passer en
utilisant l'horloge interne du µC mais elle est moins précise.
Le câblage d'un quartz est extrêmement classique. Il suffit de regarder
dans la doc technique du µC pour savoir comment le brancher. Le montage
ci-dessous est le plus courant :
8/ Le transistor NPN :
Le transistor sert à commander la circulation de courant dans un
circuit. C'est une sorte d'interrupteur commandé par un fil électrique.
Pour le transistor NPN, tant que la tension sur la base est inférieure
ou égale à la tension sur l'émetteur, aucun courant ne passe. C'est
comme si l'interrupteur était ouvert.
Dès que la tension de base devient supérieure à la tension de
l'émetteur, un petit courant (très faible) apparaît dans le fil de
base, créant un GROS courant entre le collecteur et l'émetteur. C'est comme si l'interrupteur était fermé.
Chose importante, le transistor se comporte comme un amplificateur de courant : Le petit courant de base est multiplié par le gain du transistor entre l’émetteur et le collecteur. Ce qui s'écrit ic = k x ib
La valeur de "k" est écrite dans la doc technique du transistor choisi (généralement k=70)
Donc, avec un courant de base de 15 mA, on peut, en théorie,
obtenir un courant de 1 ampère. En pratique, il s'avère que les
transistors possèdent un courant maximum. Il va donc multiplier le
courant de base jusqu'à ce qu'il atteigne son courant maxi. Si le
courant de base augmente encore, ca n'aura pas d'influence sur le
courant de collecteur. On dit que le transistor est saturé.
Il existe de nombreuses pages "web" qui décrivent le fonctionnement des transistors. Voir ici, ou bien ici.
Exemple de montage : commande d'un relais
La sortie du microcontrôleur contrôle ce montage, mais le relais
consomme beaucoup trop. Il est impossible de l'alimenter directement.
On utilise donc le transistor pour amplifier la commande. A l'état "zéro", la tension de 0 volt sur la base bloque le transistor. A l'état "1" ( la sortie du microcontrôleur est à 5 volts), le µC ne fournit que ib=1,5mA. C'est suffisant pour débloquer le transistor. Le courant ie
=1.5 * 70 = 100 mA, ce qui permet d'actionner la bobine du relais.
Celui-ci bascule, allumant la lumière. Remarquez les différentes
sources de tension de ce montage !
9/ Le transistor PNP
Le principe est quasi-identique au précédent. A ceci près que tous les
courants sont inversés par rapport au précédent. La commande est
donc inversée aussi. Sur le dessin ci-dessous, j'en ai profité pour
inverser les pattes "E" et "C".
La tension au niveau de la base est supérieure à la tension de l'émetteur. Le petit courant ne peut pas passer.
Pour obtenir un courant Ib il faut que la tension de base soit inférieure à la tension de l'émetteur.
Ici aussi, le courant ie est proportionnel au courant ib (facteur k) dans la limite de saturation du transistor.
Exemple de montage :
Commande d'un relais en logique inversée.
Le principe est le même que sur l'exemple précédent. Remarquez que
cette fois, les niveaux de commande sont inversés. Lorsque le
microcontrôleur est à l'état "0", la lumière s'allume et vice versa.
Ceci grâce à l'utilisation du transistor PNP.
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Au fur et à mesure de vos demandes, j'enrichirai petit à petit cette description des composants.
