Principes de base en électronique

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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

Définition

Un atome - Modèle de Bohr

L'électricité 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 une forme d'énergie créee par un flux ou mouvement de charges électriques. Ces charges proviennent des atomes. Un atome possède 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.

Flux de charges électriques

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

Batterie

Comme le montre le modèle d'atome de Bohr ci-dessus, 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 un proton à la recherche de son électron. Lorsque les électrons libres se déplacent d'atome en atome à la recherche de nouveaux protons, ils permettant aux charges électriques de se déplacer et ainsi de créer l'électricité.

Pour pouvoir circuler, les électrons ont besoin d'une source d'énergie dans le circuit (e.g batterie dans un circuit) qui sont donc simultanément poussés par la borne négative et attirés par la borne positive, c'est le rôle de la batterie. 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).

Par conséquent, dans un circuit, 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 des matériaux

Câble avec conducteur et isolant

L'électricité produite par les électrons ne circulent pas dans n'importe quel matériau.

En électronique, on appelle cela la conductivité:

• Certains matériaux sont conducteurs comme le fer, l'argent, l'or
• Certains matériaux sont isolants comme le plastique, l'air, le verre. Leur fonction est importante car cela permet d'éviter les court-circuits i.e pour éviter que deux circuits ne se touchent.

Circuits

Circuit électronique

Selon Wikipédia, “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” (Wikipédia,récupéré le 9 Avril 2021).

Compte tenu du concept de conductivité vu précédemment, les composants électroniques doivent être constitués de matériaux conducteurs pour permettre au courant de "passer" mais aussi de matériaux isolants permettant d'éviter les courts-circuits dans un même circuit ou dans plusieurs circuits qui s'entrecroisent.

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

Simple circuit

Schématisation

Schématisation des composants

Il existe des symboles normalisés pour représenter les composants électroniques (ou dipôle). Voici les principaux symboles :

Liste de symboles

Schématisation des circuits

Tout comme la schématisation de composants, il existe des schémas normalisés de circuit. Ces schémas sont réalisés :

1. En utilisant les symboles normalisés
2. En suivant des règles précises:
   • Les lignes sont droites (pas de courbures). Le 1er tracé est la forme générale du circuit i.e le rectangle.
   • Les lignes reliant les différents composants sont placées au milieu de chaque coté.
   • L’ordre des symboles correspond à l’ordre de branchement dans le circuit.

Voici un exemple de schéma normalisé

Représentation normalisée d'un circuit

Logiciels et WebApp pour la schématisation de circuit

• Circuitlab : schématisation de circuit. Il s'agit d'une WebApp très pratique et il est possible de concevoir le circuit et de faire une capture d'écran mais impossible d'enregistrer le design sans inscription (payante).
• 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)

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.

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.

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).

Mesure de grandeurs dans un circuit : le multimètre

Multimètre

“Un multimètre (parfois appelé contrôleur universel) est un ensemble d'appareils de mesures électriques regroupés en un seul boîtier1, généralement constitué d'un voltmètre, d'un ampèremètre et d'un ohmmètre. Les fonctions voltmètre et ampèremètre sont disponibles en continu et en alternatif. ” (Wikipédia,récupéré le 9 Avril 2021).

En d'autres termes, le multimètre mesure :

• La tension (voltage),
• Le courant (ampères),
• La résistance (ohm).

Mise en route d'un multimètre :

Le multimètre comporte généralement 4 entrées (COM, 10 A ou 20 A, mA, V ou Ω)

• La broche noire doit être connectée à la broche COM qui correspond au pôle négatif ou GND (Ground) sur une carte électronique ou à la masse
• La broche rouge doit être branchée aux autres entrées selon la mesure. Pour l'intensité, utiliser l'entrée 10 A ou 20 A (selon le modèle de multimètre) pour mesurer un courant élevé sinon utiliser les mA.

Utilisation d'un multimètre :

• s'assurer que la base de chaque broche est connectée à la bonne entrée du multimètre (V, Amps, Ohm) et spécifier la grandeur à mesurer à l'aide du bouton sélecteur du multimètre. Exemple : placer le sélecteur sur 20V pour mesurer une tension entre 0 et 5V; placer le sélecteur sur 2V si la tension devrait se situer entre 0 et 1V. De la même manière, pour mesurer un courant de haute intensité, mesure en Ampère et en Milliampère pour un courant de faible intensité.
• s'assurer d'avoir respecter la polarité lors du branchement. Un multimètre comporte 2 broches habituellement une rouge (polarité positive) et une noire (polarité négative). Pour certaines mesures, il est préférable de respecter la polarité comme pour la mesure de la tension. Inverser la polarité n'est pas grave en soi mais vous aurez une valeur négative.

Type de circuits

Il existe deux principaux types de montage pour les circuits : le circuit monté en série et le circuit monté en parallèle.

Types de circuits	Caractéristiques	Schéma
Circuit en série	Les composants sont connectés les uns à la suite des autres sur une même branche i.e le courant n'emprunte qu'un seul chemin. Cela implique : Que les résistances vont s'additionner dans le circuit, Que le voltage sera divisé (tension - V), Que le courant sera le même (intensité - Amps)
Circuit en parallèle	Les composants sont situés sur des branches indépendantes i.e le courant emprunte plusieurs chemins Cela implique : Que les résistances sont soumises à une tension égale, Que le voltage sera le même (tension - V), Que le courant sera divisé (intensité - Amps)

Composants principaux d'un circuit

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.

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

Connexions

Hard/Soft connexion :

• Copper tape

Liens

• What is electricity (s.d). Sparkfun. Consulté le 9 Avril 2021 sur https://learn.sparkfun.com/tutorials/what-is-electricity/all
• Sam Sattel (s.d). What Is Electricity? Explained So Simply, Even Your Mom Can Understand. Consulté le 9 Avril sur https://www.autodesk.com/products/eagle/blog/what-is-electricity-explained-so-simply-even-your-mom-can-understand/
• Leonics (s.d). Understand electricity. Consulté le 9 Avril sur http://www.leonics.com/support/article2_2j/articles2_2j_en.php
• FlossManuals (s.d). Les bases de l'électronique. Consulté le 9 Avril sur https://fr.flossmanuals.net/arduino/les-bases-de-lelectronique/