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

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.

Création de l'électricité

Un atome - Modèle de Bohr

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

Notre compréhension des atomes a évolué, tout comme notre méthode pour les modéliser. Le modèle de Bohr est un modèle d'atome très utile pour explorer l'électricité.

Les électrons de l'atome ne sont pas tous liés à l'atome pour toujours. Les électrons situés sur l'orbite extérieure de l'atome 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 libre. Les électrons libres nous permettent de déplacer la charge, ce qui est l'essence même de l'électricité. En parlant de charge...

Qu'est ce qu'une charge électrique ? Une charge électrique désigne nen a charge électrique n'est qu'un terme fantaisiste pour désigner l'attraction des contraires. Vous vous souvenez des électrons et des protons de tout à l'heure ? Ils sont chargés négativement et positivement. Ou opposés.

   Les opposés s'attirent - Les protons chargés positivement chercheront toujours leurs homologues électroniques chargés négativement.
   Les contraires se repoussent - Mettez deux protons chargés positivement ensemble, et vous obtiendrez l'effet inverse, les protons s'éloignant l'un de l'autre pour trouver leurs électrons.

À chaque instant, il y a un proton qui cherche son électron de charge opposée dans le monde. Et c'est là que la magie opère. Lorsque les électrons se déplacent d'atome en atome à la recherche de nouveaux protons, on crée ce qu'on appelle un courant. Et c'est ainsi que l'électricité est produite, à partir du simple mouvement des électrons.

Règles principales en électricité

• OK

L mouvement des électrons

Comment l'électricité circule t'elle ?

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.

/A-FAIRE

• Electrons
• Un circuit est un chemin dans lequel l'électricité passe

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)