Pour apprendre l'électronique, nous voulons comprendre :
1) Qu'est-ce que la tension et le courant ?
2) Qu'est-ce qu'un composant électronique ?
3) Comment les composants sont-ils connectés entre eux ?
Tension et courant
La tension est une différence de potentiel (une différence d'énergie électrique) ; en présence de charges, celles-ci tendent à se déplacer vers le milieu où l'énergie est plus faible. Le courant est le flux de charges. Si l'on comptait le nombre de charges traversant un point précis d'un fil conducteur chaque seconde, on mesurerait le courant. Le courant se mesure en colombs (une unité de charge) par seconde, également appelé ampère (A).
La plupart des gens utilisent l'analogie de l'eau. Plus le débit d'eau dans un tuyau est important, plus le courant électrique dans un fil est intense. On peut avoir plus de débit (de courant) à un instant donné si :
1) Il y a plus de pression (tension) qui pousse l'eau (charge) à travers le tuyau (fil)
2) le tuyau (fil) est plus large (plus conducteur) afin que plus d'eau (charge) puisse entrer dans le tuyau (fil).
La relation exacte entre la tension et le courant variera en fonction de ce qui composants que nous utilisons.
Composants
Un « composant » peut être n'importe quel dispositif électronique. Il en existe de nombreux de base. des composants tels que : résistances, condensateurs, inductances, diodes, transistors et bien d'autres.
Nous allons d'abord nous concentrer sur le composant lui-même. Pour l'instant, nous n'utiliserons que des composants à deux bornes. Cela signifie qu'il n'y a que deux connexions entre le composant et le reste du circuit. Voici un exemple de composant :
Le rectangle représente le composant, et les lignes qui y sont reliées représentent les fils conducteurs. Les composants peuvent soit absorber de l'énergie du circuit, soit lui en fournir. Par exemple, le fournisseur d'électricité injecte de l'énergie dans le réseau électrique, et votre cuisinière absorbe cette énergie et la convertit en chaleur. Chaque composant présente une tension (différence de potentiel) entre chacune de ses bornes (notée V) et est traversé par un courant (noté I ).
Convention des signes
Il existe une convention de signe utilisée dans les circuits électriques. On dit que le courant entre par la borne négative (et sort par la borne positive) d'un composant qui fournit de la puissance. De même, le courant entre par la borne positive (et sort par la borne négative) d'un composant qui absorbe de la puissance.
Boucles
L'assemblage des composants forme un circuit. Le circuit ci-dessous représente une pile (fournissant de l'énergie) et une résistance (absorbant de l'énergie) formant une boucle fermée. Le courant circule de la pile à la résistance, puis revient à la pile. L'énergie est fournie par la pile à la résistance. La boucle doit être fermée pour que le courant puisse circuler.
La charge qui sort du côté positif de la batterie est à un potentiel électrique élevé. Elle traverse ensuite la résistance, perd de son potentiel et retourne à la batterie, et le cycle se répète.
Lois de Kirchhoff : La loi de la tension
La loi des tensions de Kirchhoff (KVL) est Il s'agit d'une simple reformulation du principe de conservation de l'énergie, qui stipule que l'énergie ne peut que se convertir d'une forme à une autre ; elle ne peut être ni créée ni détruite. Dans un circuit, cela signifie que la somme des tensions dans chaque maille est nulle. Autrement dit, toute la tension fournie par la source d'alimentation est consommée ; il ne peut en rester aucune. La meilleure façon d'écrire la formule mathématique est de choisir un point de départ (généralement la borne négative d'une batterie) et de parcourir la maille.
1) Si, en parcourant la boucle, vous passez du côté négatif au côté positif, alors la tension a augmenté (indiquez un nombre positif pour la tension).
2) Si, en parcourant la boucle, vous passez du côté positif au côté négatif, alors la tension a diminué (écrivez un nombre négatif pour la tension).
Enfin, lorsque vous revenez à votre point de départ, écrivez égal à zéro ( = 0 ).
Dans le circuit ci-dessus, V1 représente une augmentation de tension, donc elle est positive, et V2 représente une diminution de tension, donc elle est négative. On peut donc écrire :
S'il y a plusieurs boucles dans le circuit, on peut écrire une équation de la loi des mailles pour chacune d'elles. Par exemple, voici un circuit à trois boucles. Supposons que le composant de tension V1 soit une pile (fournissant de l'énergie) et que les autres composants soient des résistances (absorbant de l'énergie).
J'ai choisi de commencer par le côté négatif de V1, ce qui est toujours un bon point de départ.
Ces équations peuvent ensuite être utilisées pour calculer les tensions dans le circuit.
Nœuds et sol
Remarquez qu'il n'y a pas de composant entre la borne négative du composant V1 et celle du composant V3 ; elles sont simplement reliées par un fil. Chaque point de connexion est appelé un nœud. Notez que si un nœud est entièrement connecté en un seul point (schéma A) ou s'il est relié par un fil entre deux points de connexion (schéma B), il s'agit toujours du même nœud, car aucun composant n'est présent entre les points de connexion.
Les nœuds sont souvent étiquetés avec des tensions. La tension étant toujours mesurée entre deux points, il est utile d'avoir un point de référence. La masse est simplement le nom utilisé pour désigner ce point de référence dans le circuit. Le symbole ⏚ doit être placé à l'endroit choisi comme masse. Il existe différents types de masse, certaines mathématiques et d'autres physiques (la terre), mais ce sujet fera l'objet d'un prochain article.
Ci-dessous, nous pouvons voir qu'il y a 4 nœuds différents : x, y, z et le sol (g).
Pour calculer, par exemple, la tension Vy (c'est-à-dire la tension entre le nœud y et la masse), nous pouvons partir de la masse et progresser vers y :
En réarrangeant, on obtient :
Nous pouvons également voir sur l'image que Vy est égal à V3 puisque Vy est la tension entre le nœud y et la masse, tout comme V3 est la tension sur le composant 3, qui d'un côté est Vy et de l'autre côté la masse.
Lois de Kirchhoff : La loi actuelle
À l'instar de la loi des mailles (KVL), la loi des courants de Kirchhoff (KCL) stipule que la charge électrique ne peut être ni créée ni détruite. Concrètement, cela signifie que… Toute charge entrant dans un nœud doit également en sortir. Par exemple, I1 et I2 entrent dans le nœud ci-dessous, tandis que I3 et I4 en sortent.
Remarque : Un point est généralement placé à chaque point de connexion des fils.
Pour écrire une équation, vous pouvez soit écrire :
courants entrant dans le nœud = courants sortant du nœud
ou
Courants entrant dans le nœud - courants sortant du nœud = 0
ou
- courants entrant dans le nœud + courants sortant du nœud = 0
Ce ne sont que des réarrangements mathématiques d'une même affirmation.
En utilisant la première forme :
Pour revenir à notre circuit, nous pouvons écrire une affirmation de la loi de Kirchhoff au point y et à la masse :
Ceci donne les instructions KCL :
Remarque : Nous n'avons pas besoin d'écrire une instruction KCL au niveau du nœud x ou du nœud z car il n'y a que deux connexions (un fil continu).
Étiquetage des circuits selon la convention de signe
Enfin, si un circuit n'est pas étiqueté avec les polarités de tension et les sens du courant, que dois-je faire ?
1) Commencez par les composants qui fournissent l'alimentation, car vous saurez quel côté est positif.
Dessinez le courant quittant le côté positif du composant qui fournit l'énergie et entrant dans le composant ou nœud suivant, à partir de tous les composants qui fournissent l'énergie.
2) Faites une hypothèse concernant le courant dans les autres composants qui absorbent de la puissance.
Pour les composants absorbant de la puissance, essayez d'estimer le sens du courant. Le sens que vous avez estimé importe peu, du moment que la tension est représentée correctement, en respectant la convention de signe. Si votre estimation est erronée, le résultat calculé sera négatif ; la flèche indiquant le sens du courant devrait alors être inversée.
3) Dessinez les polarités de tension pour les éléments absorbant de la puissance.
Dessinez les potentiométries de tension selon la convention de signe basée sur la direction du courant que vous avez dessinée à l'étape 2.
Exemple
Indiquez le sens du courant et la polarité de la tension sur chaque composant ci-dessous. On suppose que V1 fournit de la puissance et que tous les autres composants en absorbent.
La première étape consiste à représenter le courant sortant du pôle positif de V1 (en vert). On peut ensuite supposer que ce courant se divise en deux, l'un alimentant le composant 3 (en bleu) et l'autre le composant 4 (en orange). Ces deux courants se rejoignent ensuite et circulent à travers le composant 6 pour retourner au composant 1.
Ensuite, nous étiquetons les composants en fonction du sens du courant : n’oubliez pas que le courant circule vers le côté positif des composants qui absorbent de la puissance.
