Il est nécessaire d'avoir quelques bases en électronique. Il est cependant utile d'avertir les lecteurs en leur disant que l'électronique est un domaine complexe qui n'est pas à la portée du premier venu.
Rappel de quelques notions de base
Qu'est-ce que l'électricité? Nous pourrions dire que tout dans la vie est basé sur atomes et électrons. Chaque matériau qui compose notre univers est basé sur ces éléments.
Le corps humain machine hyper complexe fonctionne grâce a l'électricité! En fait, l'électricité est composée de charges positives et négatives qui s'attirent mutuellement si elle sont contraires (+ et - ) ou se repoussent quand elles sont de même nature . Mais Il faut se remémorer quelques cours de physique pour comprendre vraiment ce qu'est l'électricité et comment cela fonctionne.
MATIERE, ELEMENTS ET ATOMES
La matière est la substance constitutive des corps. Tout ce qui nous entoure, sous toutes sortes de formes est donc matière: Bois, métal, liquides, etc.
La matière possède des structures différentes selon le matériau dont elle est faite.
Si on observe un morceau de matière quelconque au microscope on constate qu'il possède une structure granulaire, composée d'atomes formant des molécules.
( la molécule étant la plus petite quantité de matière qui existe à l'état libre )
La matière peut se présenter sous trois états différents: Liquide, gazeux ou solide.
Certain matériaux sont conducteurs de l'électricité (comme les métaux) d'autres sont non-conducteurs (dit isolants comme les matières plastiques) d'autres semi-conducteurs (isolants ou conducteurs sous certaines conditions), comme le silicium.
(Constituant principal des transistors, des diodes, des circuits intégrés, etc.)
Certains gaz comme le néon, sont aussi rendus conducteurs, lorsqu'ils sont soumis à une tension électrique élevée.
Les éléments chimiques constitutifs de la matière sont très variables. Ils peuvent être a l'état pur (corps simples) ou combinés entre eux (corps composés), ou mélangés (notamment pour les métaux).
L'atome est la plus petite particule d'un corps simple. Il est lui même composé de neutrons de protons et d'électrons.
Un exemple vous permettra de mieux comprendre...
Imaginez une planète constituée d'une grande quantité de billes, possédant des charges positives et neutres collées les une aux autres:
C'est le noyau de l'atome avec ses protons et ses neutrons!
Imaginez qu'autour de cette planète tourne de multiples satellites maintenus en place par la force d'attraction du noyau de cet atome:
Ce sont les électrons, qui sont de charge négative.
Chaque atome est reconnaissable en fonction du nombre de ses protons et électrons.
Le nombre de protons est égal à celui des électrons. (Créant un équilibre)
Le noyau de l'ensemble protons, neutrons est normalement stable ( ils sont fortement liés les uns aux autres de telle façon qu'aucun ne s'échappe, sauf dans le cas de la radioactivité ...).
Les électrons qui sont en perpétuelle rotation peuvent former plusieurs couches différentes (jusqu’à sept).
A l'état normal les charges (+ et -) du noyau et des électrons s'équilibrent.
(L’atome est dit "neutre») mais les électrons peuvent quitter leur orbite, et passer à un autre atome sous l'effet de la chaleur, ou d'une réaction chimique. Lorsqu'on produit un courant électrique, il y a donc un déplacement d'électrons qui vont quitter l'orbite de leur noyau, et se fixer sur l'atome voisin ! (Imaginez une sorte de jeu de saute mouton, dans lequel l'électron serait celui qui saute et les moutons les atomes.
Vous avez là l'image du déplacement du courant électrique) Lorsqu'un atome a perdu ou reçu un électron de son voisin, il devient un "ion" chargé positivement ou négativement. On peut imaginer que le mouton qui reçoit le "sauteur" subit un poids intolérable.
Il fait tout pour chasser cet intrus en ruant. Le "sauteur" va donc être forcé d'aller sur le mouton suivant et ainsi de suite ... A ce stade, plus le courant électrique produit est intense, plus la migration des électrons se fera rapidement.
Toujours avec la même analogie plus le nombre de sauteurs est élevé et plus les moutons feront tout pour les chasser rapidement ... Des électrons libres en balade (négatifs donc), vont essayer de trouver des charge positives pour se fixer sur un ion (positif).
C'est ainsi qu'un courant s'établit !
En conclusion: Un courant ne pourra circuler dans un conducteur qu'a partir du moment ou se créera un excédent d'électrons d'un coté et un déficit d'électrons de l'autre.
Les matériaux bons conducteurs de l'électricité sont principalement les métaux.
Parmi eux, le cuivre, l'argent, l'or, l'étain, le plomb, sont utilisés régulièrement dans les appareils électriques ou électroniques.
Mais ce sont le cuivre et l'étain qui obtiennent sans conteste la faveur des fabricants.
Le cuivre présentant la meilleure conductibilité et le meilleur rapport qualité prix.
Quant à l'étain (mélangé au plomb) c'est le métal idéal pour souder le cuivre.
Les métaux sont constitués d'électrons qui quittent plus facilement leurs atomes, et favorisent le passage du courant grâce à leur petite "résistance".
On les utilise pour les pistes de circuits imprimés, (en cuivre étamé) pour le câblages ( fils de cuivre ) et pour tout ce qui nécessite des contact ( bornes, pattes de composants, semi-conducteur, etc...) Les isolants (plastique, bois, caoutchouc...) sont constitués d'atomes dont les électrons quittent très difficilement leur orbite.
On les utilise pour les supports et enrobages d'éléments qui ne doivent pas laisser passer le courant dans les appareils. ( Circuits imprimés en époxy, ou interrupteurs en boîtier plastique par exemple )
Les semi-conducteursFabriqués à base de silicium ou germanium, sont plus ou moins conducteurs ou isolants selon la tension appliquée à leurs bornes, et l'ajout de certains autres éléments appelés "impuretés" tels que: Phosphore, bore, arsenic, etc. ...
Les sources de courant: Elles sont multiples; ça peut-être une pile de quelques volts, ( genre piles chimiques de 1,5 volt placées sur votre poste radio portable ) un accumulateur ( genre batterie 12 V de votre portable ou de votre voiture, qui de plus sont rechargeables ) ou un générateur pouvant produire plusieurs centaines de volts ( genre générateur d'une centrale électrique )
Le déplacement du courant a l'intérieur d'un fil électrique se fera en "boucle" .
Partant d'un coté, il suivra le fil pour revenir de l'autre coté.
Le courant électrique continu se déplace dans un sens précis.
Sur une pile chimique de 4,5 volts, on constate qu'il y a une borne repérée avec le plus (+) et une autre avec le moins (-). Ce sera idem sur une batterie automobile, mais avec des 12 volts.
Le courant va partir du moins ( - ), arrivera dans une charge ( l'ampoule ) a laquelle il fournira son énergie, passera par un interrupteur et reviendra finir sa course par le plus (+).*
L'électricité sera donc générée par une batterie, transportée a l'intérieur d'un câble en cuivre selon un circuit précis, en fonction d'une tension électrique déterminée par le diamètre du fil conducteur, la puissance de l'ampoule, la nature de l'interrupteur, et la capacité de la batterie.
*NOTA: Mais par convention on considère que le courant circule du pole positif vers le négatif.
Il existe essentiellement deux sortes de courants: Le courant continu et le courant alternatif.
Le courant continu:
Les électrons ne sont attirés que dans un seul sens vers les atomes voisins.
Il entrent d'un coté du fil et reviennent simplement par l'autre coté.( c'est le genre de courant produit par une batterie de voiture ou par une pile ! )
L'avantage c'est qu'on peut le stocker assez facilement.
L'inconvénient, c'est qu'il est plus difficile à transformer.( pour réduire ou augmenter sa tension )
Le courant alternatif:
Si on inverse systématiquement le sens du courant très rapidement on obtient un courant "cyclique" ou "alternatif " qui est tantôt positif, tantôt négatif. L'avantage, c'est entre autres qu'on peut transporter et transformer ce courant beaucoup plus facilement ( réduire ou augmenter sa tension) grâce aux transformateurs.
* Le Hertz est la fréquence du courant ( le nombre de variation négatives et positives, par seconde qu'effectue le courant )
Il y a trois effets du courant:
Effet calorifique ( dégagement de chaleur par une résistance qui s'oppose à son passage...C'est l'effet "Joule" qui est proportionnel au carré de l'intensité ... On utilise le Joule comme unité calorifique )
Exemple: Votre sèche cheveux, utilise cet effet par l'échauffement d'une résistance; mais une ampoule l'utilise aussi pour diffuser de la lumière! (avec une certaine perte d'énergie dégagée en chaleur ...)
Magnétique (création d'un champs invisible par un aimant ou autour d'un conducteur parcouru par un courant, on le mesure en Gaus )
Exemple: Le moteur de votre machine a laver, ou l'électroaimant de votre sonnette.
Chimique (par l'électrolyse, avec notamment un dégagement d'hydrogène et d'oxygène...) Votre batterie auto utilise se principe pour accumuler de l'énergie et la restituer.
Ces différents effets sont utilisés régulièrement par l'industrie, aussi bien que par les particuliers (Machines, outils, Accumulateurs, Batteries, chauffages et fours électriques, appareils électroménagers, ordinateurs, T.V., etc. )
C'est trois éléments sont représentés par des abréviations:
La tension = U se mesure en Volt, et son symbole est "V" L'intensité = I se mesure en Ampères, et son symbole est "A"
La résistance = R se mesure en Ohms , et son symbole est " Oméga "
LA LOI D'OHM
De ces éléments essentiels, on a tiré une règle de trois qui s'appelle la loi d'Ohm (du nom de son inventeur ) U= RI I = U/R R = U/I
Cette règle doit être apprise par coeur, car elle est extrêmement utile pour connaître les bases de l'électronique.
On constate donc que la tension est le résultat de la résistance multipliée par l'intensité.
L'Intensité est le résultat de la tension divisée par la résistance, et la résistance est le résultat de la tension divisée par l'intensité.
Si vous avez deux éléments vous trouverez le troisième. A titre d'exemple, vous mesurez avec un contrôleur une résistance de 1000 ohms, qui est parcourue par une intensité de 0,01 ampère; (soit 10 milliampère ) il y aura donc 1000 x 0,01 = 10 volts à ses bornes. Les valeurs couramment utilisées sont ...
En Résistance: Ohms / kilos-ohms / Méga-ohms ( M) En Tensions: uV ( Micro volts ) / mv ( Millivolts ) / V ( Volts ) En intensité:u A ( Micro Ampères ) / mA ( Milliampères ) / A ( Ampères )
INDUCTANCE ET IMPEDANCE
L'inductance est le quotient du flux d'induction* qui passe à travers un circuit . ( une self, un tranfo ...).
Elle se mesure en " Henry ".
Le Henry est équivalent à l'inductance électrique d'un circuit fermé dans lequel une force électromotrice de 1 volt est produite, lorsque le courant électrique qui le parcours varie à raison d'un Ampère par seconde.
Il faut savoir qu'une self (un bobinage de fil monté sur un support isolant ou en ferrite) s’oppose plus fortement au passage d'un courant alternatif, que d'un courant continu. (L’inverse d'un condensateur)
( l'induction est obtenue par transfert d'énergie entre deux bobine proches, lorsque l'une d'elles est parcourue par un courant... C'est aussi le principe utilisé dans un transformateur ...)
L'impédance est la résistance "apparente" d'un bobinage au passage du courant alternatif (différente de celle en continu).
C'est la valeur qu'on donne à un haut parleur de 4 ohms par exemple.
Il ne s'agit plus alors de résistance, mais d'impédance, puisqu'un haut parleur est composé d'un bobinage de fil, monté sur un support cylindrique isolant qui coulisse autour d'un aimant.
Le courant qui parcours le bobinage le fait avancer ou reculer autour de cet aimant; et le son est produit grâce à une membrane (reliée au support cylindrique ) qui comprime l'air ambiant sur le même rythme...( quant le courant est positif, elle avance, quant il est négatif, elle recule )
La "résistance" au passage du courant dans un bobinage est donc différente de celle du passage du courant dans du carbone par exemple ( le carbone étant le principal constituant des résistances utilisées dans les montages électroniques ).
Lorsqu'on mesure un haut parleur avec un contrôleur en position omettre, on obtient une valeur qui est inférieure a l'impédance réelle, puisque la mesure s'effectue grâce a l'envoi d'un courant continu issu de la pile du contrôleur.
LA PUISSANCE
Chaque unité de valeur précitée : Tension, intensité, Résistance, produit ce qu'on appelle une dissipation de chaleur (voulue dans le cas d'un chauffage électrique ou rejetée dans le cas d'un T.V. par exemple)
Ces trois éléments réunis permettent de calculer l'énergie consommée par un montage ou un appareil. On appelle cela " la puissance ", et on l'exprime en Watts. On peut la calculer facilement à partir deU, R, I , selon la règle : P = U x I
Exemple: Un appareil de chauffage est alimenté sous 220V et il consomme 10 Ampères. Il aura donc dissipé une puissance de 220 x10 = 2200 Watts par heure. ( ces valeurs sont indiquées en général au dos des appareils )
Selon cette règle, il est facile d'obtenir une des trois valeurs, lorsqu'on en connais deux: I = P/ UU = P/ I .
Notez enfin, que la consommation électrique de votre appartement se calcule non pas en Kilowatts, mais en Kilowatt / heure, tout simplement parce que l'ensemble de vos appareils consomment une certaine énergie durant un certain temps, et que pour la mesurer efficacement, il faut la multiplier par le nombre d'heures d'utilisation.
En électronique on doit plus spécialement calculer la puissance des composants qu'on utilise ( résistances, transistors, etc ) afin de les dimensionner en fonction de leur consommation, et ainsi être sûr de leur fonctionnement à long terme.
Selon la loi qui dit: "Qui peut le plus peut le moins ", il vaut toujours mieux surdimensionné en puissance, afin d'être plus tranquille, lorsqu'on effectue une réparation, car la situation inverse est exclue !
Exemple: Remplacer une résistance qui consomme 1 watt par une autre prévue pour 2 ou 3 watt (de préférence anti feu ) évitera des problèmes de claquage prématuré du composant. (sauf si cette résistance est de très faible valeur ohmique, et joue quasiment un rôle de fusible
VIBRATIONS ET ONDES
L'étude des mouvements vibratoires, permet de
constater qu'ils sont courants dans la nature.
On utilise en permanence ces phénomènes en électronique...
Mais de quoi s'agit-il vraiment? Une analogie hydraulique, va encore nous aider.
Lorsqu'on jette un caillou perpendiculairement à une flaque d'eau calme, il y a une série de cercles concentriques qui se créent autour du point d'impact, et s'éloignent de ce point en perdant peu a peu de leur force.
Nous venons de créer un mouvement vibratoire ! Le même phénomène peut se réaliser en électronique, mais par une propagation des ondes électromagnétiques dans l'atmosphère. (L’émetteur qui envoie un signal vers votre T.V., ou votre téléphone portable, est tous deux capables d'émettre ce type d'ondes ...).
Ces ondes se propagent ( circulent dans l'air ) sur différentes fréquences, et de ce fait peuvent se différencier et être captées avec des circuits réalisés a l'aide de selfs et condensateurs, qu'on appelle des circuits oscillants "accordés".
On constate dans ce domaine qu'il y a toujours une fréquence de base qu'on appelle "fondamentale" ( qu'on pourrait qualifier d'originale ) et une série de fréquences annexes qu'on appelle " Harmoniques " ( qui seraient ses copies ou doublures ).
En général ces harmoniques parasites (d'un niveau plus faible) doivent être éliminées, pour garder la fréquence fondamentale (sauf cas particulier). On parvient à réaliser des systèmes dits a Modulation de Fréquence et Superhétérodyne dans le domaine Radio/T.V., qui éliminent assez bien ces harmoniques.
Un autre exemple d'harmonique indésirable est représenté par les "fantômes" qu'on reçoit sur une image T.V., lorsqu'on ne capte pas bien le signal envoyé par l'émetteur ( ce problème est dû aux obstacles naturels tel que collines ou bâtiments, qui réfléchissent les ondes; mais parfois il s'agit aussi d'obstacles temporaires tels que des grues en période de travaux.)
Les ondes électromagnétiques des émetteurs sont produite a l'aide du même genre de circuits accordés, cités précédemment, à la différence que les puissances mises en jeu sont beaucoup plus importantes que pour les récepteurs, et les circuits et composants doivent être réalisés en conséquence !
Il faut savoir que la répétition d'un mouvement identique a lui même dans un intervalle de temps égal, s'appelle "période".
L'intervalle entre chaque période s'appelle "fréquence" et cette fréquence se mesure en Hertz.
On représente une onde par une sinusoïde telle que sur
On constate que la sinusoïde commence son cycle au point "a" atteint un sommet positif au point "+ 1" revient au point milieu, atteint un pic négatif au point"-1" pour finir son parcours au point "b".
Cette sinusoïde pourrait représenter le courant 220V , qui effectue 50 cycles par secondes (soit, une fréquence de 50 Hertz ou 50 périodes/s )
Ces ondes qui se répètent de façon régulières et qu'on appelle "fréquences", auront une certaine "longueur d'onde " . Les ondes électromagnétiques vont de 1mm pour les très courtes (300 Gigas hertz) à 10 Km
(300 Kilos Hertz) pour les longues.
Elles se propagent à la vitesse de la lumière (300.000 Km à la seconde).
Les fréquences radio AM ( kilométriques ) se situent entre 30 et 300Kz. ( 1 Kilohertz = 1000 Hertz ) Les fréquences radio FM ( métriques ) se situent entre 30 à 300 Mhz. ( 1 Mégahertz = 1000 Kilohertz ) Les fréquences T.V (décimétriques ) sont placées entre 300 Mhz et 3 GHz. ( 1 Gigahertz = 1000 Mégahertz)
Il existe toutes sortes de fréquences de niveau bas ou élevé. La fréquence lumineuse visible (de 400 à 780 nanomètres) va du rouge au violet.
Les invisibles (infrarouges (+ de 780 nm) ou ultra violet (-de 400 nm) sont situées comme leur nom l'indique, au dessous ou au dessus des fréquences visibles.
Il est utile de savoir que dans le domaine des ondes visibles, le mélange dans certaines proportion des trois couleurs fondamentale du spectre : Vert, Bleu, Rouge, permet de restituer la couleur blanche. (principe de restitution de la couleur également employé en télévision )
Les fréquences sonores (audibles pour l’homme) vont de 30 Hertz à 18 Kilohertz environ.
Au delà de 20 KHz on les appelle les ultrasons" (audibles seulement par certains animaux tel que les dauphins, les baleines, les chiens, etc. )
Au dessous de 30 Hz on les appelle "infrasons". (Également audibles par certain animaux, tel que les éléphants ...)
