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Information tutoriel

  • Ajouté le: juin 17 2008 07:15
  • Date Updated: sept. 15 2014 12:52
  • Lectures: 24220
 


* * * * *
2 Notes

Tutoriel Électronique pour débutant

Posté par Maïck on juin 17 2008 07:15
Introduction

Ce cours a pour but de vous présenter les bases de l'électronique jusqu'à un niveau qui vous permettra de créer de petites applications pour vos robots.




Qu'est ce que l'électricité ?


Les atomes

our que vous compreniez tout je vais commencer par un peu de chimie… ^^
Alors comme vous le savez sans doute toute matière est composée de particules microscopiques : les atomes !!

Image IPB

L’atome est composé d’électrons, de protons et de neutrons.
Le noyau est composé de protons (particules portant une charge positive) et de neutrons (aucune charge : neutres).

Les particules qui gravitent autour du noyau sont appelées électrons (particules portant une charge négative).

Toutes ces particules obéissent aux 2 lois suivantes :

Les charges de même polarités se repoussent
Les chargent de polarités différentes s’attirent.


Un atome stable est toujours composé du même nombre d’électrons et de protons.
Si l’atome à un électron (ou plusieurs) en plus il est appelé Ion négatif (Il a une charge négative (électron) en plus que de charge positive (proton).
Si il a un électron (ou plusieurs) en moins il est appelé ion positif.

Les ions ne sont pas stables, ils voudront retrouver leurs équilibre en donnant un électron ou en en prenant un.

Le rôle d’une pile (ou de toute autre source de tension) est de créer des ions positifs sur la borne ‘plus’ et des ions négatifs sur la borne ‘moins’.

Le courant électrique

Lorsqu'un électron d’un atome A est à la même distance du noyau d’un atome B, l’électron est attiré avec la même force par les deux atomes.
Un tel électron est appelé électron libre.
L’électron libre peut alors ‘sauter’ en permanence d’un atome à l’autre.

Les fils employés pour conduire le courant électrique sont composés de beaucoup d’électrons libres.

Lorsque ce fil est connecté aux deux bornes d’une pile les ions positifs de la borne ‘plus’ vont ‘prendre’ les électrons libres des atome les plus proches.

En prenant ces électrons les atomes du fil vont devenir des ions positifs et vont aussi ‘prendre’ les électrons libres les plus proches….
Et ainsi de suite jusqu'à la fin du fil.

Comme la pile fournit en permanence des ions positifs sur une borne et des négatifs sur l'autre la réaction ne s’arrête pas.
Ce phénomène est appelé courant électrique !!

Les électrons sont très lents (quelques millimètres par seconde) mais le courant électrique lui est très rapide, il se déplace presque à la vitesse de la lumière soit environ 300000km/s !!

Les matières qui ont beaucoup d’électrons libres et donc qui permettent une bonne circulation du courant sont appelés conducteurs et sont principalement des métaux.

• Cuivre
• Argent
• Or
• Aluminium

Ce sont ces matières qui sont employées pour fabriquer des fils conducteurs.

Les matières qui n’ont pas beaucoup d’électrons libres sont appelées isolants.
• Plastique
• Verre
• Céramique
• …

Ces matières sont employées pour isoler les conducteurs (gaine des fils électriques).

Comme vu précédemment, les électrons vont du ‘-‘ au ‘+’.
Malheureusement avant d’avoir découvert le sens réel du courant électrique (du ‘-’ au ‘+‘) il a été convenu que le courant allait du ‘+’ au ‘-‘….
C’est comme ça il faudra vous y faire !!
Dès maintenant je ne parlerai qu'avec ce sens ’conventionnel ‘, car tous les modèles électroniques sont fait selon ce principe.

Voila avec ça nous sommes partis sur de bonnes bases pour comprendre l’électronique…

Le prochain cours concernera l’intensité, la tension, la résistance…




Loi des noeuds & Loi des mailles (Par Xtrema)


Loi des noeuds

Ce cours à pour but de vous présenter deux lois : la loi des mailles et la loi des noeuds, trouvé par le physicien Allemand Kirchhoff.

La définition de wikipedia :

La somme algébrique des intensités des courants qui entrent par un nœud est égale à la somme algébrique des intensités des courants qui en sortent.

C'est à dire que la somme des courants entrants dans un noeud est égale à la somme des courants sortants de ce noeud.
Si vous ne comprenez toujours pas je vous ai fait un petit schéma :

Image IPB[url="""]http://pascal.cormie...92291157.png[/url]][/url]

En rouge les courants sortants et en bleu les courants entrants. En noir le noeud. D'après la loi des noeuds on peut donc dire :
i1 + i2 + i3 = i4 + i5
Remarque : Le nombre de courants entrants et sortants n'a aucune importance. Les composants placés derrière nos fils n'ont pas d'importance non plus.

Loi des mailles

La définition de la loi des mailles sur Wikipedia est :

Dans une maille quelconque d'un réseau, la somme algébrique des tensions le long de la maille est constamment nulle.

o_O La définition est assez compliquée mais en fait ce n'est pas dur.
J'ai fais un schéma pour que l'on comprenne bien ce que c'est :

Image IPB[url="""]http://pascal.cormie...92291044.png[/url]][/url]

La maille c'est la boucle (générateur, R1, R2, R3).


Attention : Résistance ici c'est tous les composants qui exercent une résistance au passage du courant, ça peut être une lampe, une résistance, une LED,...
Donc en clair pour mon schéma celà donne :
Ur1 + Ur2 + Ur3 - Uab = 0

Pour définir quels tensions sont à soustraire il suffit de choisir une tension comme référence et de soustraire toutes celles de sens contraire.
Exemple:

Avec Uab comme référence.

Uab - Ur1 - Ur2 - Ur3 = 0


Mais vous allez me dire comment fait-on pour tracer les flèches que j'ai tracé, dans quel sens ?
C'est pas dur, le courant circule du + au - du générateur (la flèche rouge). Pour les générateurs, vous tracez une flèche représentant la tension à ses bornes dans le sens du courant (regardez Uab).
Pour les résistances (même remarque qu'au dessus) la flèche est dans le sens contraire du courant (Ur1, Ur2, Ur3).

Résumons :
Si la flèche est dans le sens du courant, c'est un générateur (pile, panneau solaire...), si elle est dans le sens contraire c'est une résistance (lampe, résistance...).
La loi des mailles c'est :
La somme des tensions dans chaque mailles est égal à zero.

C'est peut-être un peu dur à comprendre mais avec l'entraînement ça deviendra plus simple.




Intensité, Tension & Cie


L'Intensité

Dans le chapitre précédent nous avons vu ce qu’était le courant électrique.
Et bien l’intensité est simplement la mesure de ce courant exprimé en Ampères et dont le symbole est [A].

L’intensité du courant représente une certaine quantité d’électricité qui passe chaque seconde dans un circuit fermé.

1 ampère correspond à 6,25*1018 électrons par seconde dans un fil conducteur.

La tension

Pour mettre en mouvement les électrons dans un circuit électrique il faut que celui-ci soit fermé et qu’une pression soit exercée sur les électrons.
Cette ‘pression’ électrique est appelée tension.
La tension s’exprime en Volts et son symbole est [V].

La résistance

La résistance représente l’opposition plus ou moins grande des matériaux au passage d’un courant électrique.
La résistance s’exprime en ohm et le symbole est Image IPB[url="""]http://pascal.cormie...6231501.jpg[/url]].[/url]
Et le symbole utilisé dans les schémas est :

Image IPB

(le ‘100k’ représente la valeur de la résistance : 1k = 1000ohm)

1 ohm représente la résistance entre 2 points lorsqu'une tension de 1 volt appliquée entre ces 2 points produit un courant de 1 ampère.

Loi d'ohm

D’après ce que nous avons vu précédemment nous pouvons en déduire que : U=R*I

U : Tension [V]
R : Résistance Image IPB
I : Intensité du courant [A]

Couplage série de résistances

Dans un circuit en série :

Image IPB

le courant est le même dans toutes les résistances (R1,R2,…)

Comme le courant n’a qu’un seul chemin possible il est partout le même.

Pour trouver la résistance totale d’un circuit il suffit de les additionner : R_tot=R1+R2+cdots

Dans notre exemple cela donne R_tot=100+12=112k

Comme nous connaissons la tension qui alimente ce circuit (G1) nous pouvons calculer le courant qui traverse ces résistances :
Utilisons la loi d’ohm vue précédemment : U=R*I
Après transformation nous avons que I=U/R.
Donc I=3/112000=26uA

Pour ceux qui ne maîtrisent pas les préfixes voici un tableau récapitulatif :

Image IPB

Le passage du courant dans une résistance provoque une chute de tension.
L’addition de ces chutes de tension donne la tension totale.

Un petit exemple pour bien comprendre :

Toujours d’après les même valeurs.

U_R1=R1*I=100k*26u=2.7V
U_R2=R2*I=12k*26u=321mV
U=U_R1+U_R2=2.7+0.321=3V ==> qui est effectivement notre tension d’alimentation.

Couplage parallèle de résistances

Dans un couplage parallèle :

Image IPB

La tension est la même sur toutes les résistances ce qui est logique car elles sont toutes sur les mêmes fils.

Comme le courant dans une résistance dépend de la valeur de celle-ci les courants sont différents dans chaque résistance sauf évidemment si elles ont la même valeur.

Le courant total est simplement l’addition des courants dans chaque résistance.

I_tot=IR1+IR2+cdots

D’après la loi d’ohm on peut dire que :

Image IPB

En simplifiant par U (on divise toute l'équation par 'U') on obtient :

Image IPB

On peut en déduire que :

Image IPB

Dans notre exemple:

Image IPB

Ce qui implique que la résistance totale est toujours plus petite que la plus petite des résistances du circuit.

Maintenant que vous connaissez les différents couplages de résistances vous devriez pouvoir trouver la résistance équivalente de ce schéma :

Image IPB

Solution:

On calcule en premier la résistance équivalente des 2 résistances en parallèle:

Image IPB

Ensuite on calcule la résistance totale:

Image IPB

La Puissance

Je ne vais pas vous développer en détail la notion de puissance, c’est assez compliqué et pas absolument nécessaire dans le fonctionnement des robots.

Retenez simplement que la puissance est l’énergie dissipée chaque seconde.
Elle s’exprime en Watts et son symbole est [W].
La puissance se calcule en faisant la multiplication du courant et de la tension.

P=U*I

P : Puissance [W]
U : Tension [V]
I : Intensité du courant [A]

Voilà maintenant que vous connaissez les lois fondamentales de l’électricité nous allons pouvoir attaquer le composant le plus simple en électronique : la diode !!




Les diodes


Diodes de redressement

1 Structure :

Il existe trois types de matériaux : les conducteurs, les isolants et les semi-conducteurs.

Ces derniers ne conduisent pas bien le courant électrique et ne sont pas de bons isolants.

Avec ces propriétés, on peut se demander à quoi peuvent servir ces matériaux.
Pourtant, le silicium, qui est un semi-conducteur, est très utilisé, pas pur mais combiné avec d’autres matériaux (le plus souvent du Bore, de l’Antimoine…).
Cet ajout de matière est appelé dopage.

En dopant la moitié d’un bout de silicium avec du Bore (cette moitié est appelée région P), et l’autre moitié avec de l’Antimoine, (cette moitié est appelée région N), ce silicium acquiert un comportement très utile en électronique :
En appliquant une tension positive entre la région P et la N, le morceau conduit l’électricité et en mettant une tension négative il bloque le courant électrique.

Vous l’aurez compris ce morceau n’est rien d’autre qu’une diode !

1 Caractéristiques :

Symbole :

AImage IPB[url="""]http://pascal.cormie...4255393.jpg[/url]]K[/url]

A : Anode (région P)
K : Cathode (région N)

Le fonctionnement de la diode tel qu’expliqué avant est le modèle idéal : soit la diode conduit soit elle bloque.

Image IPB[url="""]http://pascal.cormie...84255531.jpg[/url]][/url]

Malheureusement la diode réelle n’est pas idéale.
Elle commence à conduire seulement à partir d’une tension positive de 0.7V puis conduit avec une faible résistance au passage du courant.
Lorsqu’une tension négative est appliquée sur la diode un faible courant traverse quand même la diode. Il ne faut pas non plus trop augmenter la tension inverse sur la diode, sinon la surtension détruit la diode.

Image IPB[url="""]http://pascal.cormie...84255610.jpg[/url]][/url]


Un modèle pratique est souvent admis pour simplifier grandement les calculs :
On néglige la faible résistance lorsqu’elle conduit et le petit courant lorsqu’elle bloque.
Ce qui fait qu’on ne tient compte que de la tension minimum pour que la diode conduise c’est à dire 0.7V.

Image IPB[url="""]http://pascal.cormie...84255649.jpg[/url]][/url]


Ce modèle pratique est utilisé dans tous les montages utilisant une diode car les approximations faites sont négligeables.

Diodes Zener

Symbole :

Image IPB[url="""]http://pascal.cormie...84256619.jpg[/url]][/url]

La diode zener fonctionne comme une diode standard en direct (alimentée en positif), mais en inverse elle bloque jusqu'à une tension déterminée lors de la fabrication, puis conduit le courant électrique.
Ce phénomène est appelé claquage zener et n’est évidemment pas destructif pour la diode.
Une fois cette tension atteinte même en augmentant le courant ou la tension aux bornes de la diode, elle reste plus ou moins à cette tension.

On trouve des diodes zener pour des tensions entre 1.8V et 200V.
On utilise principalement les diodes zener pour créer des alimentations.

Symbole :

AImage IPB[url="""]http://pascal.cormie...4255393.jpg[/url]]K[/url]

A : Anode (région P)
K : Cathode (région N)

Le fonctionnement de la diode tel qu’expliqué avant est le modèle idéal : soit la diode conduit soit elle bloque.

Image IPB[url="""]http://pascal.cormie...84255531.jpg[/url]][/url]

Malheureusement la diode réelle n’est pas idéale.
Elle commence à conduire seulement à partir d’une tension positive de 0.7V puis conduit avec une faible résistance au passage du courant.
Lorsqu’une tension négative est appliquée sur la diode un faible courant traverse quand même la diode. Il ne faut pas non plus trop augmenter la tension inverse sur la diode, sinon la surtension détruit la diode.

Image IPB[url="""]http://pascal.cormie...84255610.jpg[/url]][/url]


Un modèle pratique est souvent admis pour simplifier grandement les calculs :
On néglige la faible résistance lorsqu’elle conduit et le petit courant lorsqu’elle bloque.
Ce qui fait qu’on ne tient compte que de la tension minimum pour que la diode conduise c’est à dire 0.7V.

Image IPB[url="""]http://pascal.cormie...84255649.jpg[/url]][/url]

Ce modèle pratique est utilisé dans tous les montages utilisant une diode car les approximations faites sont négligeables.

LED (Diode électroluminescente)

Symbole :

Image IPB[url="""]http://pascal.cormie...84256657.jpg[/url]][/url]


La LED ou DEL est un composant qui lorsqu’une tension positive lui est appliquée (~2V) émet de la lumière visible ou non (Infra rouge).
En inverse elle se comporte comme une diode standard.

Il existe des LEDs de presque toutes les couleurs mais la couleur rouge est la plus répandue.
Leur consommation est très faible : ~2mA pour la technologie low current (faible consommation) et ~20mA pour les LEDs «Normales».

Photodiode

Symbole :

Image IPB[url="""]http://pascal.cormie...84256847.jpg[/url]][/url]

La photodiode est un composant qui s’emploie en inverse et qui est sensible à la lumière :
Le courant augmente d’intensité proportionnellement à la lumière reçue.
Lorsque la photodiode n’est pas éclairée ce courant devient négligeable.
Ces composants peuvent par exemple être utilisés comme détecteur de lumière.




Les Condensateurs


Généralités

Symbole :

Image IPB[url="""]http://pascal.cormie...89181810.jpg[/url]][/url]

Un condensateur est un élément capable d'accumuler une charge électrique et de la restituée. (Comme un accumulateur)

Un condensateur est constitué de 2 plaques métalliques, appelées armatures, séparées par un isolant appelé diélectrique.

On classe les différents types de condensateur en fonction de la matière qui constitue le diélectrique :
  • Condensateur au papier
  • Condensateur au mica
  • Condensateur à air
  • Condensateur au polyester
  • Condensateur céramique
  • Condensateur électrolytique
Capacité d'un condensateur :

La capacité d'un condensateur, exprimé en farad [F], représente la quantité d'électricité dont il peut se charger, sous une tension donnée.

C=Q/U

C : Capacité du condensateur.
Q : Charge du condensateur.
U : Tension de charge du condensateur.
Le farad est une très grande unité, on utilise le plus souvent ses sous-multiples :

1uF = 0.000001F
1nF = 0.000000001F
1pF = 0.000000000001F

Charge d'un condensateur

Lorsqu'une tension est appliquée sur un condensateur, avec une résistance en série avec celui-ci,

Image IPB

La multiplication de la valeur de la résistance et de la capacité du condensateur donne une valeur appelée tau [T]. Il représenta une durée et est donc exprimé en second [s].

Lorsque le condensateur est en charge, à chaque Tau écouler, la tension aux bornes du condensateur augmente de 60% de la tension d'alimentation.

Image IPB
Le courant lui diminue de 60% de son maximum après chaque Tau écouler.

Image IPB


On considère que après 5 Tau le condensateur est chargé.

Une fois le condensateur chargé, la tension aux bornes du condensateur est égal à la tension d'alimentation et aucun courant ne le traverse.

On peut calculer la tension aux bornes du condensateur à chaque instant grâce à la formule suivante :

Image IPB

Et la valeur du courant :

Image IPB

Décharge d'un condensateur

Lorsque le condensateur se décharge à travers la même résistance, schéma !!

La tension, comme le courant, diminue de 60% de leurs maximums à chaque tau écoulé.

Image IPB

A 5 tau le condensateur est considéré comme décharger.

Pour calculer le courant traversant le condensateur ou la tension à ces bornes, la formule est presque la même :

Image IPB

Couplage de condensateurs

Le couplage des condensateurs est l'inverse de celui des résistances :

Plusieurs condensateurs en parallèle s'additionnent, alors que plusieurs condensateurs en série ce calcule avec cette formule :

Image IPB

Voilà un peu de théorie sur les condensateurs, le but n'étant pas de tout comprendre sur leur fonctionnement, mais de comprendre comment calculer des circuits comprenant des condensateurs !!

Certaines parties de l'électronique ont été volontairement mises de côté (notamment l'alternatif, le triphasé, le magnétisme...)car ces sujets ne me semblent pas nécessaires à la robotique.
Si toutefois vous voudriez qu'un chapitre qui n'est pas encore présent dans ce cours le soit,n'hésitez pas à me laisser un commentaire...
(L'assembleur et la programmation des PIC sont prévus dans un autre cours...)