Les bases de l’électronique

Vous trouverez ci-dessous les bases de l’électronique : tension, intensité, résistance… L’objectif n’étant pas d’expliquer en détails tous les sujets mais uniquement d’introduire les concepts nécessaires à la bonne compréhension des tutoriels.

Parmi les bases de l’électronique, le concept de tension, d’intensité et de résistance sont indispensables. J’introduis également quelques composants comme les LED, les condensateurs et les transistors.

Pour les personnes intéressées par l’électronique, il existe de nombreux cours en ligne, par exemple sur le site www.les-electroniciens.com.

Je vous invite également à consulter l’excellent ouvrage d’Eskimon Arduino : premiers pas en informatique embarquée. En plus d’introduire les concepts d’électronique, il aborde de façon efficace la partie programmation de l’Arduino qui n’est pas traitée sur mon site.


Électricité et électrons

électrons et électricité

Un électron est une particule élémentaire, c’est « un grain d’électricité ».

L’électricité est un déplacement d’électrons dans un matériau conducteur.

Les électrons se déplacent dans la même direction dans un circuit.


Tension  et intensité

La tension (U) est la force qui permet aux électrons de bouger dans un matériau conducteur, elle se mesure en Volts (V). 
L’intensité (I) aussi appelée le courant est le débit(*) d’électrons circulants dans un matériau conducteur, elle se mesure en Ampères (A). 
Plus il y a d’électrons qui circulent à travers un circuit, plus la valeur du courant est forte.

(*) un débit est une quantité par seconde. Par exemple le débit du robinet est de 1 litre par seconde.


Résistance

résistance

Les électrons qui circulent dans un matériau conducteur rencontre une résistance (R), elle s’exprime en Ohm (Ω).

C‘est la tension qui force le déplacement des électrons. Plus la tension est importante aux bornes d‘un résistance, plus le courant qui la traverse est fort.

Plus la résistance est grande, plus le courant à des difficultés à passer. Inversement, plus la résistance est faible, plus le courant passe facilement.


Code couleur des résistances

code couleur résistances

Les bandes de couleurs autour de la résistance permettent d‘en connaître la valeur.
Dans le cas d‘une résistance à 4 bandes, les 2 premières bandes donnent les chiffres significatifs (avec une résistance à 5 bandes les 3 premières bandes donnent les chiffres significatifs).
La bande suivante indique le multiplicateur (il faut multiplier les chiffres significatifs par cette valeur).
La bande suivante indique la tolérance (incertitude sur la valeur réelle de la résistance donnée par le fabricant).


La loi d‘Ohm

loi d'ohm

La loi d‘Ohm lie l‘intensité du courant qui circule dans un composant électrique à la tension à ses bornes et à sa résistance.

U = R x I

U est la tension aux bornes de la résistance
R est la valeur de la résistance.
I est l’intensité du courant qui circule à travers la résistance


Loi d’additivité des tensions

loi d'additivité des tensions

La tension aux bornes d’un ensemble de dipôles électriques branchés en série est égale à la somme des tensions aux bornes de chacun d’eux.

U = U1 + U2


Loi d’unicité des tensions

loi d'unicité des tensions

Lorsqu’ils sont branchés en dérivation, la tension aux bornes de plusieurs dipôles électriques est identique.

U1 = U2


Diode électroluminescente

Une diode électroluminescente ou light-emitting diode (LED) émet de la lumière lorsqu’elle est parcourue par un courant.

Une diode ne laisse passer le courant que dans un sens, de l’anode (+) vers la cathode (-). L’anode est la broche la plus longue.

Une LED a une tension nominale, qui correspond à la chute de tension aux bornes de la LED. Elle dépend des LED, mais sa valeur est d’environ 2 V. Le site Électronique Mixte offre un bon aperçu du principe des diodes.

Attention à ne pas faire passer un courant trop fort dans une LED, sinon elle risque de « griller ». L’utilisation d’une résistance est obligatoire.


Condensateur

condensateurs

Un condensateur est un composant passif qui possède deux armatures conductrices séparées par un isolant. Des charges électriques opposées vont pouvoir être stockées sur ces deux armatures.

Un condensateur peut être vu comme un accumulateur d’énergie, mais il a de nombreux autres usages (filtrage des parasites, temporisation, éviter les discontinuités de tension…).

Un condensateur est caractérisé par sa capacité, qui correspond au pouvoir qu’a ce dernier à emmagasiner de l’énergie. L’unité de capacité est le Farad (F). Plus sa capacité est grande, plus le condensateur peut emmagasiner de l’énergie.


Transistor bipolaire NPN

transistor bipolaire npn 2n2222

Il existe une grande variété de transistors, mais nous ne nous intéresserons ici qu’au transistor bipolaire NPN car c’est le type de transistor utilisé dans mes tutoriels.

Ce type de transistor possède 3 bornes : le collecteur par lequel le courant entre dans le transistor, l’émetteur par lequel le courant sort du transistor et la base qui commande le passage du courant.

En fonction du courant reçu sur sa base, le transistor va laisser passer une certaine proportion (tout, rien, en partie) du courant du collecteur vers l’émetteur.

Dans les tutoriels, nous utilisons le transistor dans son régime de saturation. En régime de saturation, le transistor se comporte comme un interrupteur à deux états : l’état bloqué dans lequel aucun courant ne traverse le transistor entre son collecteur et son émetteur, et l’état passant dans lequel tout le courant qui entre par le collecteur sort par l’émetteur.


Amplificateur opérationnel

amplificateur operationnel

Un amplificateur opérationnel est un composant qui amplifie la différence de potentiel appliquée à son entrée :

Vout = Gain x (V+ – V)

Un amplificateur opérationnel a un gain très grand (> 100.000), aussi la moindre différence de potentiel va saturer sa tension de sortie à ±Vsat. En effet la tension de sortie Vout ne peut pas être infinie, elle est limitée par la tension d’alimentation de l’amplificateur opérationnel.

L’utilisation courante d’un amplificateur opérationnel est d’effectuer des opérations sur des signaux analogiques. Par exemple, un gain, une somme, une différence… Vous trouverez des exemples de montages de base sur le site electronique-radioamateur.fr.

Le montage suiveur de l’amplificateur opérationnel permet de l’utiliser comme un buffer. Sa tension de sortie est égale à sa tension d’entrée, mais il est capable de fournir un courant. Il se comporte comme une source de tension.


Platine d’expérimentation (breadboard)

platine d'expérimentation

Les connecteurs sont reliés entre eux par 5 (exemple en violet a2, b2, c2, d2 et e2 sont reliés ensemble)

Il n’y a pas de lien électrique au travers de la ligne de partage du milieu (en jaune)

Les connecteurs des lignes extérieures sont reliés entre eux (exemple en vert tous les connecteurs sont utilisés pour connecter la masse (GND)


Exemple de circuit électronique

Le premier circuit que nous réalisons en général est destiné à allumer une petite LED avec une pile.

Comme nous l’avons lu plus haut, il faut absolument mettre une résistance en série avec la LED car sinon le courant qui va la traverser sera trop élevé et la LED va griller… Une LED a besoin d’un courant d’environ 10 à 20 mA pour fonctionner, et supporte un courant maximal d’environ 30 mA. Mais ces valeurs dépendent des LED et il faut donc bien regarder leur spécifications techniques.

exemple de circuit électronique

Comment calculer la valeur de le résistance ?

C’est assez simple, il suffit d’appliquer la loi d’Ohm en connaissant la tension aux bornes de la résistance (U), et sachant que l’intensité qui traverse la résistance est la même que l’intensité qui traverse la LED (I) :

U = R x I ; soit R = U / I

La tension aux bornes de la résistance est d’environ 7 V (9 V de la pile moins les 2 V de chute de tension de la LED), et l’intensité qui doit traverser la LED est de 10 mA, soit 0,01 A.

Donc R = 7 / 0,01 = 700 Ω.

Si nous avons une résistance de 1000 Ω sous la main cela fera l’affaire. L’intensité qui passera dans la LED sera dans ce cas :

I = U / R = 7 / 1000 = 7 mA

Ce qui sera suffisant pour l’allumer mais avec une luminosité assez faible.

Simulation de notre exemple de circuit électronique

Il est possible de simuler un circuit électronique, cela permet de valider son fonctionnement avant même de le réaliser.

Il existe plusieurs logiciels de simulation, mais je préconise le génial Falstad qui est disponible ici : https://www.falstad.com/circuit/

Voici par la simulation de notre exemple de circuit électronique :

Grâce à la simulation, vous pouvez rapidement vérifier que le courant qui passe dans la LED est de 7,42 mA.

Vous pouvez à loisir changer la valeur de la tension de la pile ou la valeur de la résistance et vérifier les impacts sur le circuit.