Principes de base en électronique

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En principe, le ou les auteurs en question devraient bientôt présenter une meilleure version.

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Introduction

Sous le terme d'électronique, on trouve de multiples concepts. Cette page va traiter uniquement l'électronique relative à la manipulation de signaux et d'informations électriques. Dans le contexte de cette page, nous nous intéressons aux signaux manipulés dans des circuits électroniques i.e au travers ses composants.

Electricité

Fichier:Wikimedia-atom-diagram.png

Un atome

L'électricité est une forme d'énergie. Elle est présente à l'état naturel (ex: éclairs d'un orage) ou peut être produite, notamment par d'autres énergies comme l'énergie thermique, l’énergie solaire ou encore l'énergie hydraulique, etc.

L'électricité est un flux (mouvement) de charges électriques. Ces charges viennent des atomes. Un atome possède un constitué d'une combinaison de trois particules distinctes :

• les neutrons ayant une charge neutre ou pas de charge,
• les protons ayant une charge positive,
• les électrons ayant une charge négative.

Chaque atome possède un noyau central où protons et neutrons sont groupés de façon dense et autour de ce noyau, gravite des électrons. Ce sont les electrons qui ont un rôle important dans l'électricité car c'est ce mouvement d'électrons tournant autour de l'atome que les électrons forment une charge électrique. C'est ce que nous disions en préambule, l'électricité est un flux de charges électriques.

Un atome - Modèle de Bohr

Les électrons forment des charges électriques mais comment concrètement se créer le flux d’électricité ?

Comme le modèle de Bohr ci-contre, les orbites des électrons sont plus ou moins éloigné du noyau de l'atome. Les électrons sur l'orbite extérieure sont appelés électrons de valence. Avec une force extérieure suffisante, un électron de valence peut s'échapper de l'orbite de l'atome et devenir un électron libre.

Or, comme mentionné précédemment les protons sont chargés positivement, les électrons sont chargés négativement et selon les règles 1) les opposés s'attirent (protons et électrons s'attirent) et 2) les contraires se repoussent (protons et protons se repoussent pour trouver leurs électrons), il y a donc toujours des protons à la recherche de leur électron.

Lorsque les électrons dits libres se déplacent d'atome en atome à la recherche de nouveaux protons permettant ainsi de déplacer les charges électriques et c'est ainsi que se créer l'électricité, à partir du simple mouvement des électrons. Pour pouvoir circuler, les électrons ont besoin d'une source d'énergie dans le circuit (e.g batterie dans un circuit). Le circuit est donc un chemin complet permettant aux électrons de pouvoir circuler en boucle continue sans interruption (dans le cas du courant continu VS alternatif).

L'interrupteur permet de fermer le circuit afin que les électrons chargés négativement de notre source d'énergie puissent se diriger vers les protons chargés positivement.

Conductivité

Câble avec éléments conducteur et isolant

L'électricité produite par les électrons ne circulent pas dans n'importe quel matériau. En électronique, on appelle cela la conductivité des ce que l'on appelle la Les électrons sont très sélectifs et l'électricité ne circule pas dans n'importe quel matériau. Dans le monde de l'électronique, on appelle cela la conductivité. Vous avez probablement un smartphone, alors cela devrait être assez facile à comprendre. Sortez votre câble de chargement, il est en caoutchouc, non ? Cela a été fait pour une raison très particulière.

Le caoutchouc, comme d'autres matériaux tels que le verre, le plastique et même l'air, est appelé isolant. Ces isolants ont une fonction très importante : ils vous empêchent de recevoir des chocs ou de vous électrocuter ! Les électrons n'aiment pas les isolants et ne perdent pas leur temps à les traverser.

Il n'y a pas que du caoutchouc dans votre câble de chargement. Vous y trouverez un fil de cuivre. Ce matériau, ainsi que d'autres comme l'argent et l'or, sont appelés des conducteurs. Les électrons adorent voler le long des conducteurs, et atterrissent directement dans votre smartphone pour que votre batterie soit à nouveau pleinement chargée. Isolants et conducteurs

Une perspective simple sur la façon dont les isolants et les conducteurs fonctionnent ensemble dans un fil. (Source de l'image)

Vous comprenez maintenant que l'électricité est composée d'atomes et que c'est le flux d'électrons qui produit l'électricité. Mais d'où vient exactement l'électricité ? Elle n'apparaît pas comme par magie.

Règles en électricité (cf. Stark) Les électrons bougent du plus haut niveau d'énergie vers le plus bas niveau d'énergie i.e ils bougent du Power au Ground.

Electrical energy is caused by electrons (the particles in atoms) moving about to make a current.

L'énergie électrique (électricité) est le courant électrique utilisé pour alimenter les circuits électroniques composés de composants électriques comme les LED, les potars... On peut dire qu'un circuit électronique constitue un chemin permettant à l'électricité de circuler.

(/dessin/)

3 notions seront particulièrement abordés :

Courant électrique :

Le mouvement d'une charge électrique est connu sous le nom de courant électrique, dont l'intensité est généralement mesurée en ampères. Le courant peut être constitué de n'importe quelle particule chargée en mouvement ; le plus souvent, il s'agit d'électrons, mais toute charge en mouvement constitue un courant. Le courant électrique peut traverser certaines choses, les conducteurs électriques, mais ne traversera pas un isolant électrique (important pour le design de circuit)

Potentiel électrique :

Le concept de potentiel électrique est étroitement lié à celui de champ électrique. Une petite charge placée dans un champ électrique subit une force. Amener la charge à ce point, contre cette force, nécessite un travail. Le potentiel électrique en tout point est défini comme l'énergie nécessaire pour amener lentement une unité de charge d'essai d'une distance infinie à ce point. Il est généralement mesuré en volts, 1 volt représentant le potentiel pour 1 joule dépensé pour amener une charge de 1 coulomb depuis l'infini. Cette définition du potentiel, bien que formelle, a peu d'applications pratiques, et un concept plus utile est celui de différence de potentiel électrique, l'énergie requise pour déplacer une charge unitaire entre deux points spécifiés. Un champ électrique a la propriété particulière d'être conservatif, ce qui signifie que le chemin emprunté par la charge d'essai n'est pas pertinent : tous les chemins entre deux points spécifiés dépensent la même énergie, et on peut donc énoncer une valeur unique pour la différence de potentiel66.

Résistance :

a résistance est peut-être le plus simple des éléments de circuit passifs : comme son nom l'indique, elle résiste au courant qui la traverse et dissipe son énergie sous forme de chaleur. La résistance est une conséquence du mouvement de la charge dans un conducteur : dans les métaux, par exemple, la résistance est principalement due aux collisions entre les électrons et les ions. La loi d'Ohm est une loi fondamentale de la théorie des circuits, qui stipule que le courant traversant une résistance est directement proportionnel à la différence de potentiel à ses bornes. La résistance de la plupart des matériaux est relativement constante pour une gamme de températures et de courants ; les matériaux dans ces conditions sont dits « ohmiques ». L'ohm, l'unité de résistance, a été nommé en l'honneur de Georg Ohm, et est symbolisé par la lettre grecque Ω (oméga). 1 ohm est la résistance qui produit une différence de potentiel de 1 volt en réponse à un courant continu de 1 ampère74.

Circuits

Définition et représentation d'un circuit

Wikipédia, https://fr.wikipedia.org/wiki/Circuit_%C3%A9lectronique : Un circuit électronique est un ensemble de composants électroniques interconnectés souvent à l'aide d'un circuit imprimé et dont le but est de remplir une fonction.

Un circuit électrique est une interconnexion de composants électriques permettant de faire circuler une charge électrique le long d'un chemin fermé (un circuit), généralement pour effectuer une tâche utile. https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89lectricit%C3%A9#Circuits_%C3%A9lectriques

Exempel de circuit : Arduino, CPX /A-COMPLETER

Ce simple circuit représente une LED (D1) alimentée par une source d'alimentation (V1). La source d'alimentation est atténuée par la résistance (R).

Schematisation / presentation des logiciels

Type de circuits

Montage en série / montage en parallèlge

Analyse d'un circuit

Concepts de base

Il y a 3 concepts de base dans un circuit

• Voltage (Volts): tension électrique,
• Courant (Ampères) : intensité auquel le flux s'écoule (long ou rapide),
• Résistance (Ohms) : la résistance avec laquelle le matériaux résiste au flux de courant.

Pour qu'un circuit fonctionne correctement (exemple qu'une LED ait une luminosité correcte, qu'une LED ne "claque pas" etc.), il est important de faire une analyse du circuit avec la loi d'Ohm. Le multimètre, lui sert à réaliser les mesures physiques de ces 3 dimensions.

Loi d'Ohm

“La loi d'Ohm est une loi physique empirique qui lie l'intensité du courant électrique traversant un dipôle électrique à la tension à ses bornes. Cette loi permet de déterminer la valeur d'une résistance1. La loi d'Ohm a été ainsi nommée en référence au physicien allemand Georg Simon Ohm qui la publie en 1827, dans son œuvre Die galvanische Kette: mathematisch bearbeitet.” (Wikipédia,récupéré le 1 Mars 2021).

La loi d'Ohm établit que (en convention récepteur) :

$$U=R\times I$$

Cette loi permet d'obtenir d'obtenir les différentes grandeurs selon votre besoin:

• U = R × I permet de calculer la tension lorsque sont connus R (résistance) et I (intensité),
• I = U / R de calculer l’intensité lorsque sont connus U (tension) et R (résistance),
• R = U / I permet de calculer la résistance lorsque sont connus U tension) et R (résistance).

Le multimètre

(/à faire/)

Composants principaux d'un circuit

Schémas de 3 circuits électronique de base

• Batterie
• Resistance
• LED > output
• Sensor/Interrupteur (switch) > input

Type d'entrées/sorties

Digital Vs Analogique

• Entrée/sortie digitale
• Entrée/sortie analogique

Démonstration sur swatches

(/a-faire/) : trier les simulation analogique et digitale

Simulations digitales

• ex1
• ex2

Simulations analogiques

• ex1
• ex2

• Simulation : digital on/off A/B jaune/rouge
• Connecté (CPX) : digital on/off A/B jaune/rouge
• Connecté (CPX : analog slide
• Connecté (CPX) : analog pression

Liens

Circuit

• Circuitlab (schématisation de circuit mais payant),
• EasyEDA (schématisation de circuit, open source, webApp),
• Circuit Diagram editeur de schémas électronique source libre
• Circuit Diagram.org - guides et exemples
• Circuit Sims (simulateur de circuits: Limité mais peut vous aider à comprendre le fonctionnement d'un circuit en ajoutant des composants)
• Fritzing (Schématisation de circuit, open source, standalone app)

Electricité

• What is electricity (s.d). Sparkfun. Consulté le 9 Avril 2021 sur https://learn.sparkfun.com/tutorials/what-is-electricity/all